3) рН = 67, [Fe] = 12 мг/дм3, DT = + 2030 оС;
4) рН = 910, [Fe] = 0,10,2 мг/дм3, DT = + 2030 оС;
5) рН = 910, [Fe] = 0,10,2 мг/дм3, DT = + 180 оС
Анализ экспериментальных данных позволил получить близкую к гиперболической зависимость термического сопротивления отложений от недогрева стенки до температуры насыщения (рис. 3). При достижении температуры оболочки равной температуре насыщения (?T = Тнас - Тоб = 0) перегрев центра твэла составит 150 оС. Очевидно, что наибольшее термическое сопротивление имеют отложения, полученные в режиме поверхностного кипения при выводе твэла в режим с конвективным теплоотводом. Чем больше недогрев стенки до температуры насыщения, тем меньше отложения [21].
Для подавления кипения в результате интенсивного роста отложений авторы [21] рекомендуют снижение мощности реактора до 60 % и понижение температуры теплоносителя.
Рисунок 3 - Зависимость температуры перегрева твэла, обусловленного отложениями, от разницы температур насыщения и температуры оболочки твэла [21]
массоперенос отложение реакторный сорбент
Хотя в реакторах ВВЭР кипения теплоносителя обычно не происходит, однако даже при НУЭ возможно его подкипание в порах отложений в верхней части твэлов.
В основном отложения в зоне поверхностного кипения имеют следующую структуру[17]:
§ плотность 2,5-4,7 г/см2;
§ диаметр паровых каналов 5-10 мкм;
§ диаметр водных канало 0,1-0,5 мкм;
§ количество паровых каналов 3000-5000 на 1 мм2.
При подкипании растворов веществ у основания растущих на греющей поверхности пузырьков происходит локальное увеличение концентрации примесей в жидкой фазе. Это связано с тем, что растворимость веществ в паровой фазе существенно ниже, чем в водной. Когда концентрация превышает предел растворимости, на поверхности начинается кристаллизация примесей. Фактически при таком режиме кипения у поверхности ТВС происходит процесс выпаривания, в котором кубовый остаток находится на поверхности оболочки твэла (рис. 4).
Начало осаждения примеси зависит от комбинации следующих факторов:
§ тепловая нагрузка (разность температур стенки и потока);
§ давление теплоносителя;
§ массовая скорость потока;
§ энтальпия потока;
§ концентрация примесей в теплоносителе.
Рисунок 4 - Механизм кипения в пористых отложениях
Концентрирование примесей может составлять несколько десятков раз, а при кипении в порах наносных отложений - на 3-4 порядка больше [17]. В связи с этим даже при сравнительно высокой растворимости примесей, возможно их отложение в активной зоне реактора. При этом, очевидно, с ростом толщины отложений скорость роста слоя оксидов будет увеличиваться.
Повышенное содержание бора было выявлено при обследовании отложений на твэлах ВВЭР-1000 [24]. Не исключено, что это связано с кипением теплоносителя в порах отложений. При обследовании ОТВС ВВЭР-440 (НВАЭС) были обнаружены паровые каналы (рис. 5) [13]. Диаметр паровых каналов в среднем составляет ~ 6 мкм, а их количество на площади 1 мм2 ~ 2000-3000, что соответствует числу каналов, образующихся при поверхностном кипении [17].
Рисунок 5 - Рельеф поверхности отложений а) оптический микроскоп х500 (а), электронный микроскоп 5000, кругом отмечен вид выхода парового канала на поверхность (б) [13]
Негативные последствия роста перепада давления на реакторе
Перегрев твэлов и снижение мощности
Экспериментальный коэффициент неравномерности энерговыделения по активной зоне ВВЭР-440 относительно плоскости реактора рассчитывается следующим образом:
(5)
где H(t)вых; H(t)вх - выходная и входная энтальпии теплоносителя (фактически измеряются температуры теплоносителя на входе и выходе); r--- плотность теплоносителя при средней температуре теплоносителя для данной ТВС; QТВС - расход теплоносителя через одну ТВС, принимается в расчетах постоянным для всех ТВС на всю кампанию и равным 128,3 м3/ч; W(t) - текущая мощность реактора; N - число ТВС в реакторе; (t) - момент времени, указывается для величин, изменяющихся во времени при работе реактора.
Величина W/N - средняя мощность одной ТВС.
Формула показывает, во сколько раз фактическая мощность кассеты отличается от средней, т.е. это и есть коэффициент неравномерности энерговыделения по активной зоне реактора. Если разность энтальпий меняется, то это означает изменение скорости расхода через кассету - уменьшение расхода при обрастании кассеты. Стандартный расход через кассету ВВЭР-440 - 128,3 м3/ч. При этом расходе при отсутствии отложений расчетная разность температур такова, что Kq составляет теоретическую величину. Теоретическая величина коэффициента определяется на основании расчета нейтронных потоков по кассетам. В начале кампании теоретические и расчетные значения совпадают.
При увеличении мощности энерговыделения кассеты растет выходная температура и увеличивается Kq. Поэтому наименьшая разность температур на входе и выходе из кассеты наблюдается для ТВС 4 года эксплуатации (Kq ~ 0,4-0,5).
Подогрев кассет оценивается по относительной разности экспериментального и расчетного коэффициента неравномерности энерговыделения в плоскости, перпендикулярной оси реактора. Обозначим эту величину щ:
щ = (Кqэксп - Кqрасч)/Кqрасч (6)
Таким образом, этот параметр устанавливает увеличение (уменьшение) энерговыделения кассеты по сравнению с расчетным (теоретическим) значением, определяемым выгоранием кассеты и характеристикой нейтронного поля в данной ячейке активной зоны.
До проведения реконструкции и дезактивации контура 3 блока НВАЭС величина относительного отклонения во время кампании даже для ТВС 4 года эксплуатации оказывалась величиной приблизительно постоянной.
Преимущественное увеличение ? на блоке 3 по сравнению с блоком 4 обусловлено установкой кассет-экранов и уменьшением общего числа ТВС с 349 до 319, что привело к возрастанию энергонапряженности твэлов на 12 %, именно на ТВС 3 блока были обнаружены признаки кипения в порах отложений (рис. 5).
На рис. 6 приведены изменения относительного отклонения Kq в 33 кампании блока 3, усредненные по годам эксплуатации. Энерговыделение в кассетах 1 и 2 года эксплуатации оказывается ниже теоретического, а нагрузка на кассеты 3 и 4 года возрастает, также возрастает и перепад давления. Кроме того, кроме Kq ведется анализ выходной температуры по ТВС, на которых установлены расходные датчики (примерно половина ТВС). Поскольку существует ограничение на рост выходной температуры (42 оС по сравнению с температурой теплоносителя на входе) для соблюдения безопасных условий эксплуатации приходится снижать мощность реактора, даже если такое превышение имеет место на одной единственной ТВС. Поэтому даже если одна кассета по величине разности температур (Kq) подходит к пределу, приходится снижать мощность на всех кассетах. Это хорошо видно на графике, мощность снижается практически обратно пропорционально росту w.
Рисунок 6 - Усредненные по годам эксплуатации изменения относительного отклонения Kq в течение 33 кампании на 3 блоке
В конце 33 кампании для поддержания необходимой температуры на двух ТВС 3-го года облучения к концу кампании мощность реактора была снижена до 75 % от номинальной. Кроме того, существует предел безопасной эксплуатации по абсолютной величине перепада давления на реакторе Эта величина зависит от многих факторов и устанавливается индивидуально для каждого энергоблока. Например, на 3 блоке НВАЭС эта величина составляет 3,1 бар; 4-го блока - 3,4 бар. . Поэтому в течение кампании может быть проведено несколько остановов для стряхивания хотя бы части отложений. Нетрудно подсчитать, что экономические потери огромны.
Рост скорости коррозии циркония
Другим неприятным результатом перегрева и возникновения паровой фазы является увеличение скорости коррозии циркониевых оболочек и дистанционирующих решеток. Ярким примером могут служить кипящие реакторы РБМК.
В общем виде скорость окисления циркония может быть выражена следующим образом [25-28]:
, (6)
где kT и kФ - тепловая и нейтронная компоненты соответственно.
Экспериментальное изучение окислительных реакций показало, что при постоянном давлении кислорода в водной среде температурная зависимость скорости окисления циркония описывается уравнением Аррениуса:
kT = ko exp [- Q/R(T+T)], (7)
где Q - энергия активации, R - газовая постоянная, T - абсолютная температура на границе раздела теплоноситель - топливная оболочка, T - повышение температуры оболочки вследствие роста отложений (см. уравнения (3) и (4)).
Нейтронная составляющая уравнения (6) является функцией ряда факторов - флюенса нейтронов, концентрации кислорода в теплоносителе, температуры, металлургического состава, обработки поверхности и др.
В случае двухфазного потока (кипение) мы получаем выражение [25-28]:
, (8)
где N - константа, - флюэнс быстрых нейтронов, n = 0,5 - 1; KGH2 - константа Генри; p - давление; - массовое паросодержание ( = 0ч1).
На рис. 7 показана зависимость скорости коррозии циркониевых сплавов от паросодержания.
Рисунок 7 - Влияние паросодержания на очаговую коррозию сплавов циркония в условиях различных АЭУ [29]
Рост концентрации окислительных продуктов радиолиза воды
Кроме эффекта АОА, подкипание теплоносителя опасно также из-за явления радиолиза воды. В «горячей» теплонапряженной ячейке ВВЭР-1200 расчетом установлено поверхностное кипение теплоносителя [30]. При этом средняя температура теплоносителя в «горячей» струе теплонапряженной ячейки достигает температуры насыщения только в верхней части ТВС. Известно, что в кипящих реакторах РБМК и ВК-50 при определенных условиях (поверхностной плотности теплового потока и времени эксплуатации) на оболочках из сплава Э-110 (Zr+1%Nb) наблюдается интенсивная локальная (нодулярная) коррозия. И это в штатных режимах эксплуатации топлива.
Нодулярная коррозия развивается при концентрациях кислорода более 15 мкг/кг и при наличии кипения. Авторы [30] показали, что при подкипании теплоносителя на энергоблоках ВВЭР повышенной мощности концентрация кислорода в теплоносителе может заметно превышать пороговое значение 15 мкг/кг. Это создает условия, опасные с точки зрения развития нодулярной коррозии. Кроме того, рассмотренные модельные представления объясняют возможную интенсификацию локального окисления при наличии поверхностных отложений, содержащих соединения с бором, в случае, когда в отложениях формируются каналы для доступа теплоносителя к оболочке, о чем уже упоминалось выше.
При кипении в порах отложений в условиях калий-аммиачного ВХР в результате радиолиза возможно образование и концентрирование азотной кислоты, что также увеличит интенсивность коррозии циркония.
В работе [7] рассмотрены варианты предотвращения эффекта АОА на ВВЭР-1000. В результате было сделано заключение о том, что наблюдаемая в настоящее время тенденция увеличения топливного цикла и выгорания UO2 в ТВС ВВЭР-1000 приводит к образованию очагов подкипания на топливных оболочках.
Образование очагов подкипания на оболочках является фактором АОА, так как:
§ при возникновении очагов подкипания на оболочках (независимо, с отложениями или без) и парообразование влияет на поведение газов, растворенных в водной фазе. Происходит рост парциального давления в паре, при этом уменьшается парциальное давление растворенных газов в водной фазе;
§ выход газа из водной фазы (Н2) благоприятствует радиолизу воды, что приводит к образованию окислительной среды на оболочках. Таким образом, создание окислительной среды на оболочках есть результат взаимноусиленного (синергетического) действия двух факторов: подкипания и радиолиза воды на поверхности топливных оболочек;
§ замена восстановительной среды на оболочках с на окислительную коренным образом меняет характеристики поверхности, требует дополнительных параметров коррозионной устойчивости материалов оболочек в режиме подкипания.
Ухудшение радиационной обстановки
На РБМК активность 95Zr+95Nb в первый месяц после останова практически полностью определяет радиационную обстановку (см. табл. 1) [32]. Эти радионуклиды концентрируются в так называемом «циркониевом песке», который представляет собой диоксид циркония, нерастворимый химическими методами дезактивации. На РБМК частицы песка достигают размеров до 1 мм, активность частиц от 5 до 20 Ки/кг (см. рис. 8). Изменения цвета частицы указывают на ее неоднородность по химическому составу.
В таблице 1 приведены данные по составу проб песка, взятых из барабан-сепараторов (БС) и раздаточно-групповых коллекторов (РГК) после проведения химической контурной дезактивации 3 блока на Ленинградской АЭС (2005 г.). До 97 % активности приходится на радионуклиды 95Zr и 95Nb.
На ВВЭР подобный песок будет накапливаться в коллекторах ПГ (в основном горячем); в районе задвижек, клапанов и т.д. Простое сравнение радиационной обстановки на ВВЭР и РБМК показывает, что для ВВЭР-1200 возможно увеличение мощности дозы от оборудования по крайней мере на порядок по сравнению с ВВЭР-1000.