CC BY
32
УДК 621.039.57-58
НАКОПЛЕНИЕ ОТЛОЖЕНИЙ НА ТЕПЛООБМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ В УСЛОВИЯХ КИПЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
А.С. КУРСКИЙ*, В.В. КАЛЫГИН**, И.М. СМИРНОВА**, И.И. СЕМИДОЦКИЙ**, В.К. ШАМАРДИН**, В.И. ШИРОКОВ**
*Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А.Бочвара (ОАО «ВНИИНМ»), Москва.
**Государственный научный центр «Научно-исследовательский институт атомных реакторов» (ОАО «ГНЦ НИИАР», Димитровград, Ульяновская область.
Аннотация: Представлена разработанная методика прогнозирования накопления отложений на тепловыделяющих элементах водяного реактора в условиях кипения теплоносителя. Приведены результаты экспериментального обоснования методики при различных стадиях эксплуатации реактора. Теоретически предсказан и в эксперименте обнаружен эффект образования отложений из мелких частиц железа. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по снижению содержания частиц продуктов коррозии железа.
Ключевые слова: корпусной кипящий реактор, отложения продуктов коррозии железа, сила Магнуса.
Введение
Одной из актуальных проблем эксплуатации кипящих реакторов является образование отложений на тепловыделяющих элементах (твэлах). Отложения, например, на реакторах большой мощности (канальных - РБМК) состоят более чем на 90% из продуктов коррозии железа (ПКЖ) [1]. В основном ПКЖ поступают в реакторную воду с питательной водой из-за коррозии оборудования и трубопроводов конденсатно-питательного и парового трактов. Опыт эксплуатации зарубежных корпусных кипящих реакторов и реактора ВК-50 в России, в частности, показал, что чрезмерный рост отложений продуктов коррозии на твэлах может вызывать разгерметизацию оболочек твэлов вследствие локальной коррозии, вызванной перегревом оболочек (CILC-эффект - Crud Induced Localized Corrosion) [2]. Кроме того, в переходных режимах эксплуатации (снижение мощности, остановка) происходит вынос продуктов коррозии с поверхности отложений в реакторную воду и увеличение ее активности на несколько порядков. Поэтому для повышения ресурсной стойкости конструкционных материалов на реакторе ВК-50 (водяной кипящий, электрической мощностью 50МВт) проведены исследования, направленные на объяснение и прогнозирование характера отложений на твэлах. Результаты выполненных экспериментов актуальны не только для продвижения направления корпусных кипящих реакторов [3], но и для обоснования безопасности водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР) больших мощностей с кипением теплоносителя в верхней части твэлов, а также для теплообменных аппаратов в «традиционной» энергетике на органическом топливе.
Методика прогнозирования накопления отложений ПКЖ на твэлах
ВК-50 представляет собой установку с исследовательским корпусным кипящим реактором и естественной циркуляцией теплоносителя в корпусе реактора. Для обоснования проектных решений по реакторам типа АСТ-500 (атомная станция теплоснабжения), РБМК-1000/1500, ВК-300 на реакторной установке ВК-50 в течение
© А.С. Курский, В.В. Калыгин, И.М. Смирнова, И.И. Семидоцкий, В.К. Шамардин, В.И. Широков Проблемы энергетики, 2013, № 9-10
длительной эксплуатации (с 1965 г.) проводились исследования различных типов тепловыделяющих сборок с оболочками твэлов, выполненных из циркониевого сплава Э110 ^г-1% Nb), а также конструкционных материалов из нержавеющих сталей (1Х18Н10Т, Х18Н22В2Т2) и сталей перлитного класса (ст.3, ст.20).
Важным этапом этих исследований являлась разработка методики прогнозирования накопления отложений ПКЖ на твэлах, поскольку именно сравнение прогноза с данными материаловедческих исследований отложений на твэлах позволяет определить вклад в отложения различных форм продуктов коррозии железа (растворенной и нерастворенной), режимы работы реактора (стационарные или переходные), во время которых в основном накапливаются отложения, а также основной механизм образования отложений. Для этого была выбрана модель массопереноса и накопления отложений ПКЖ в контуре теплоносителя с его нагревом и кипением в активной зоне. Механизмы отложения частиц различны в области однофазного потока с конвективным теплообменом, поверхностного кипения и развитого пузырькового кипения. Поэтому распределение отложений вдоль твэлов рассчитывалось по методу математической физики: с выбором участков (N>20, 50-100мм каждый), в пределах которых теплоноситель рассматривался как континуум с единым режимом теплообмена и, соответственно, массопереноса. Весь срок эксплуатации твэлов делят на этапы работы при стационарной мощности, в течение которых концентрация железа в теплоносителе остается практически постоянной, и на этапы переходных режимов работы реактора (в основном, пуски реактора), когда концентрация железа значительно увеличивается. При этом полагают, что линейная мощность на каждом участке равна линейной мощности в середине этого участка. Прирост массы отложений ПКЖ (в пересчете на железо) тг на г-м участке твэла определяется соотношением
тг =(Ян + Яр) Гг 1,
где ян и Яр - скорость роста отложений за счет нерастворенной и растворенной
формы ПКЖ, кг/(м2 с); Г - площадь поверхности г-го участка твэла, м2; 1 - время, с.
Согласно модельным представлениям о накоплении отложений на теплопередающей поверхности:
1. Скорость роста отложений за счет нерастворенной формы ПКЖ (частиц) пропорциональна их концентрации в теплоносителе и определяется соотношением
V
Ян =®н— Сн Р (1 -х), Г
где юн - константа осаждения частиц на поверхность, с- ; Г - площадь поверхности рассматриваемого участка контура, м2; V - объем участка рассматриваемого участка контура, м3; Сн- концентрация нерастворенной формы продуктов коррозии железа (в пересчете на железо) в теплоносителе в рассматриваемом участке контура, кг/кг; р - плотность воды кг/м3; х - массовое паросодержание, отн. ед.
Механизм отложения частиц зависит от режима теплообмена: Для зоны конвективного теплообмена (кипение отсутствует)
1 952 10-11 Т ( 5032,7^ Г
"н =1,952 '10 ^ еХР[""Г")7,
где Т - абсолютная температура стенки, К; ц - вязкость воды, Па-с; ё - диаметр частиц, м.
Для зоны поверхностного кипения
КН + ув + 0,7 qи
F V'
рН + (Ув + У/)/Кн г р где qи - плотность теплового потока, идущего на испарение, Вт/м ; г - теплота парообразования, Дж/кг; р - плотность теплоносителя, кг/м3; Кн - коэффициент массопереноса частиц из ядра потока в пограничный слой, толщина которого равна длине пути торможения частиц, м/с; Ув - скорость выхода частиц из воды на поверхность стенки вследствие броуновской диффузии, м/с; Уf - скорость движения частиц в пограничном слое вследствие местных турбулентных пульсаций, м/с; Рн - вероятность закрепления частиц на стенке.
Для зоны развитого кипения
( КН + Ув + УГ + 1,58 -10-13 q2 ^
(1)
Рн + (Ув + У/)/кн р (1 - х)
где q - общая плотность теплового потока, Вт/м2.
2. Образование отложений из растворенной формы ПКЖ происходит по механизму кристаллизации вследствие различной растворимости продуктов коррозии железа при различной температуре теплоносителя и поверхности твэла.
Скорость роста отложений за счет растворенной формы ПКЖ определяется соотношением
к + У
~ у тм
= ДС5 -м-м-р (1 - х),
1/р + у / к 1' -1 м т "м ' лм
где км - коэффициент массопереноса растворенной формы продуктов коррозии железа из ядра потока к стенке, м/с; Ум - скорость выхода растворенных продуктов коррозии железа из воды на поверхность стенки в результате молекулярной диффузии, м/с; Рм - вероятность их отложения на стенке вследствие кристаллизации; ДС5 — разность между концентрацией растворенных продуктов коррозии железа в потоке теплоносителя и концентрацией соответствующей растворимости при температуре стенки, кг/кг.
Прирост массы железа в отложениях на твэлах определяется соотношениями:
• на твэле:
13 ж2тэ к 2
мТВ = 1,58-10-13 _Ш_к. Сн х, (2)
^ГВ
где Мгв - масса железа в отложениях ПКЖ на твэле, кг; —Тв - мощность твэла; Вт;
17 " 2,2-
Fтв - площадь теплопередающей поверхности твэла, м ; кг - средний квадрат
коэффициента неравномерности энерговыделения по длине твэла:
Ь
к 2( г
к1 = о
ь
| к (z )dz
причем kz = ——^-=
L - длина топливной части твэла, м; t - время, с.
• на твэлах одной тепловыделяющей сборки (ТВС):
МТВС = 1,58-10-13 ЩсА Ch t, (3)
FTBC
где Mtbc - масса железа в отложениях ПКЖ на твэлах ТВС, кг; Ftbc - площадь теплопередающей поверхности твэлов в ТВС, м2; Wtbc - мощность ТВС, Вт;
Wp
WTBC =—- ÖTBC;
N TBC
Wp- мощность реактора, Вт; Ntbc - количество TBC в активной зоне; QTBC -
коэффициент, отн.ед.
• на всех твэлах активной зоны реактора:
N__
Wp £ к£j Qtbc
]
Мр = 1,58 • 10-13--СЯ1 , (4)
ГАЗ
2
где Газ - площадь теплопередающей поверхности всех твэлов в активной зоне, м ; } - номер сборки;
°ГВС } ~-•
УУТВС
Расчетные соотношения (1- 4) справедливы при плотности теплового потока до 930кВт/м2 или линейной мощности твэлов реактора ВК-50 до 27 кВт/м.
Толщина отложений ПКЖ (из частиц магнетита Бе3О4) с плотностью р на г-м участке твэла рассчитывается по формуле:
Ъ = А
Гг Р0
где Ъ - толщина отложений, м; А =1,38 - коэффициент пересчета массы железа в массу магнетита.
В расчетной методике при стационарном режиме работы реактора течение теплоносителя условно разделялось на две части - ядро потока и пограничный слой. При турбулентном течении в пограничном слое выделялся тонкий ламинарный подслой вблизи стенки и так называемый вязкий подслой с переменным характером течения. В отличие от турбулентного перемешивания в вязком подслое, в пределах ламинарного подслоя характерно неоднородное распределение концентрации частиц. Параметром, характеризующим неоднородность, является отношение плотности потока частиц д, осаждающихся на поверхности твэла, к плотности потока частиц, поступающих в ламинарный подслой при развитом кипении:
О = , Сз
где Cs - концентрация растворенных продуктов коррозии железа в потоке теплоносителя; wq - скорость воды на границе ламинарного подслоя:
W0 = -7-^7-7, (5)
(1 -ф) гр
где q - поверхностная плотность теплового потока на твэле, Вт/м2; ф - истинное
объемное паросодержание потока теплоносителя; г - удельная теплота парообразования, Дж/кг; р' - плотность воды при температуре насыщения, кг/м3.
Из выражения (5) следует, что параметр G прямо пропорционален линейной мощности твэла.
Расчетное среднее значение параметра G по теплопередающей поверхности всех твэлов при номинальной мощности реактора ВК-50 200 МВт составляет 0,06. Это означает, что в условиях динамического равновесия (притока-оттока примеси) лишь 6% частиц ПКЖ, поступающих в ламинарный подслой вследствие испарения воды, осаждается на поверхности твэлов в реакторе, а 94% возвращается в ядро потока.
Расчет накопления отложений продуктов коррозии железа был выполнен по разработанной методике для твэлов ТВС, которые после трех лет облучения в реакторе ВК-50 были подробно исследованы в материаловедческих камерах. В расчете учитывали изменения общей концентрации растворенной и нерастворенной формы ПКЖ в реакторной воде, линейной мощности твэлов в процессе облучения, распределения линейной мощности вдоль исследованных твэлов, температуры теплоносителя в активной зоне реактора. Кроме того, в расчете учитывали, что для условий эксплуатации реактора ВК-50 вклад железа в нерастворенной форме (в частицах продуктов коррозии с диаметром более 0,1 мкм) в общую концентрацию железа в реакторной воде составляет более 90 %.
Расчет показал что, основная часть отложений (83%) образовалась при стационарных режимах работы реактора и лишь 17% при переходных. Вклад в отложения нерастворенной формы (частицы магнетита) составил около 100%, растворенной формы продуктов коррозии железа около 0,1 % .
В результате расчета установлено, что в зоне конвективного теплообмена (~0-100 мм от низа топливного стержня) отложения минимальны и определяются, в основном, осаждением частиц ПКЖ. В зоне развитого пузырькового кипения толщина отложений максимальна в области с максимальной мощностью тепловыделения. Объясняется это тем, что отложение частиц ПКЖ происходит, в основном, у основания растущего парового пузыря на границе раздела трех фаз: пар-вода-обогреваемая поверхность, поэтому скорость роста отложений пропорциональна поверхностной плотности центров кипения. В свою очередь поверхностная плотность центров кипения имеет сильную (квадратичную) зависимость от теплового потока.
Экспериментальное обоснование расчетной методики накопления отложений
Результаты расчета по разработанной методике дают удовлетворительное согласие с данными материаловедческих исследований отложений на твэлах ТВС. Толщина отложений на поверхности твэлов по данным металлографических исследований шлифов в поперечном сечении составила 28-34 мкм (рис.1).
ÄfcJ . ... . . . .. .... - ' •
-i ' „г. -Iii^vui
2 ' 30 мкм
Рис.1. Отложения на поверхности оболочки твэла ТВС на расстоянии 660 мм от нижнего торца сердечника: 1 - отложения; 2 - оболочка твэла
Наилучшее согласие расчета толщины отложений ПКЖ с данными металлографических исследований шлифов в поперечном сечении твэлов получено при плотности отложений частиц магнетита около 2 г/см3: плотность магнетита составляет р=5,2г/см3, поэтому пористость отложений из частиц ПКЖ около 60%.
Расчет дает удовлетворительное согласие формы распределения, а в пределах погрешности профилометрии +12 мкм и толщины отложений с результатами послереакторных материаловедческих исследований.
Отложения на твэлах реактора ВК-50 состоят в основном не только из железа, но также из меди: вынос из медьсодержащих сплавов теплообменного оборудования контура теплоносителя (трубные системы регенеративных подогревателей и конденсаторов турбины). В табл. 1 приведено содержание отложений на оболочках твэлов TBC реактора ВК-50 после их эксплуатации до проектного выгорания топлива.
Таблица 1
Содержание контролируемых элементов отложений на участках оболочки твэла TBC
реактора ВК-50, %
Элементы Координаты центров исследуемых участков от нижнего торца твэла, мм
60 268 500 700 1000 1800
Медь 70,26 62,79 59,38 54,83 51,50 47,22
Железо 22,34 24,95 28,35 31,70 33,89 38,23
Цинк 1,23 5,37 5,89 2,94 7,63 3,31
Никель 1,10 1,13 1,74 4,07 3,39 3,66
Хром 0,85 0,96 1,09 2,69 1,16 1,70
Марганец 1,63 0,88 1,06 1,06 1,88 1,55
Кальций 1,20 0,82 0,33 0,75 0,25 1,45
Алюминий 0,92 0,73 0,60 0,48 0,13 0,06
Магний 0,21 0,31 0,31 0,41 0,10 0,32
Кремний 0,82 1,77 0,84 0,66 0,29 0,94
Цирконий 0,32 0, 41 0,26 0,37 0,03 0,67
Натрий 0,02 0,04 0,10 0,26 0,13 0,66
Кобальт 0,04 0,03 0,03 0,06 0,04 0,06
Ниобий 0,02 0,01 0,02 0,02 0,01 0,03
Олово 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
Молибден 0,01 0,01 0,02 0,03 0,01 0,02
Бор 0,01 0,02 0,004 0,01 0,001 0,07
В реакторной воде медь находится в растворенной форме, для которой коэффициент распределения между паром и водой Л"р~10-3 [4]. Поэтому, согласно конвективно-диффузионной модели концентрирования растворенных примесей теплоносителя у теплопередающей поверхности при кипении (модель процессов "хайд-аут" [5]), концентрация меди в воде у поверхности твэла в 1000 раз выше, чем в ядре потока. Именно поэтому медь осаждается в порах между частицами магнетита, а толщину отложений определяют частицы ПКЖ.
Хорошее согласие расчетных и экспериментальных значений толщины отложений на твэлах свидетельствует о том, что принятая модель и соответствующие аналитические зависимости правильно отражают накопление отложений продуктов коррозии на твэлах РУ ВК-50.
Конвективно-диффузионная модель выброса продуктов коррозии от поверхности твэлов в теплоноситель кипящего реактора
При разработке математической модели накопления ПКЖ на оболочках твэлов была использована гипотеза, согласно которой частицы продуктов коррозии способны не только концентрироваться в отложениях, но и адсорбироваться на границе раздела фаз вода-пар. Способность адсорбироваться на поверхности пузырей для определенного размера частиц и при определенных режимах энергетически выгодна, поэтому после отрыва пузырей часть ПКЖ может выноситься в ядро потока. Концентрация частиц радиоактивных продуктов коррозии (РПК) в реакторной воде является убывающей функцией от диаметра частиц [6]. Чем ниже концентрация частиц с определенным диаметром в реакторной воде, тем меньше вероятность частицы столкнуться с образующимся пузырем пара, адсорбироваться на нем и выйти из ламинарного подслоя за счет диффузии (броуновской и турбулентной) после отрыва пузыря от поверхности оболочки твэла. Иными словами, с уменьшением концентрации частиц возрастает время нахождения частицы в ламинарном подслое и, следовательно, в частице ПКЖ возрастает удельная активность радионуклида 59Ъе, который образуется в результате ядерной реакции 58Ъе(и,у) 59Ъе.
Однако результаты измерения фильтрации воды при помощи набора полиядерных мембран (диаметры пор от 0,2 до 4мкм), показали, что характер
59т-.
зависимости «увеличение удельной активности Ъе с увеличением диаметра частиц» справедлив только до определенного размера частиц. Активация относительно крупных частиц происходит в большей степени в ядре потока теплоносителя. Эти частицы, движущиеся вдоль твэла, не способны проникнуть в ламинарный подслой из-за действия на них силы Магнуса. Эта сила возникает из-за наличия градиента скорости и действует в направлении от стенки.
Fm = -nPd3 [шиL
1 du
где угловая скорость ш =---, d - диаметр частицы, м; u - продольная скорость,
2 dx
м/с; р - плотность воды, кг/м3.
Частицы диаметром более 3,5мкм в основном не участвуют в образовании отложений. У этих частиц скорость, приобретаемая за счет силы Магнуса (Wm), больше скорости конвективного переноса частиц к поверхности твэла (W)):
d 2 2
Wm > W0 ,
m 48у8сл 0
где Зсл - толщина пограничного слоя, м; v - кинематическая вязкость, м2/с
В «паровой» зоне при приближении к стенке падает продольная скорость, а в основном течении изменение продольной скорости невелико. Поэтому в этой части
TBC вблизи границы вязкого подслоя максимально произведение u = —.
dx
Соответственно проникновение крупных частиц в ламинарный подслой у поверхности твэлов останавливают силы Магнуса, наибольшие в верхней части твэла (с минимальными тепловыми нагрузками). Отложения в паровой части твэла плотные, поскольку формируются из мелких частиц, более прочно связанных с поверхностью
оболочки. Отложения в нижней, экономайзерной части твэла реактора ВК-50 (с максимальными тепловыми нагрузками) более рыхлые, чем отложения в верхней части твэлов, поскольку в ламинарном подслое «минимально» воздействие сил Магнуса на относительно крупные частицы.
На рис. 2 показана зависимость скорости конвективного переноса частиц к поверхности твэла (^) от координаты вдоль твэла (г). Для сравнения на этом же рисунке показана зависимость скорости, приобретаемой за счет сил Магнуса (Wm), от диаметра частицы (с/). (рис. 2).
низ твэла г, м
Рис. 2. Зависимость скорости ^0 конвективного переноса частиц к поверхности твэла реактора ВК-50 от координаты г (высоты твэла) и зависимость скорости частицы м>т от поверхности твэла за счет силы Магнуса от диаметра частицы d.
Эта теоретическая зависимость совпадает с результатами измерения удельной активности 59Ъе гамма-спектрометрическим методом (ошибка измерений не более 10%) по результатам фильтрации реакторной воды на полиядерных мембранах фотометрическим методом (ошибка измерений 15%): частицы с диаметром 3-3,5мкм попадают в ламинарный подслой на 20% длины твэла в нижней его части, 2-3мкм - на 50% длины твэла, 1-2мкм - практически по всей длине твэла.
Снижение содержания частиц продуктов коррозии железа при переходных режимах работы реактора
Эксперименты доказали, что снижение мощности реактора приводит к пропорциональному снижению скорости конвективного переноса частиц в ламинарный подслой. Поэтому на пониженной мощности реактора снижается максимальный размер частиц, которые способны образовывать отложения на твэлах. Например, если мощность реактора снизится от номинальной (200МВт) в 2 раза (\р0 уменьшится в 2 раза от максимальной на рис.2), то максимальный диаметр частиц, которые способны поступать к поверхности твэла средней мощности, уменьшится от 3,5 мкм до 2,5 мкм. Следовательно, очистку теплоносителя от стояночной коррозии в пусковых режимах необходимо максимально проводить при кипении теплоносителя на пониженной мощности. На этом низком уровне мощности (менее 20% от максимальной) методом резкого сброса давления в реакторе на 1-2 МПа в 1 минуту можно вывести частицы продуктов стояночной коррозии более 3мкм, которые не будут осаждаться на твэлах, но будут утилизироваться на системе очистки теплоносителя. Сброс давления в реакторе сопровождается интенсивным объемным вскипанием воды, а центрами образования дополнительных пузырьков являются неоднородности воды, которыми являются частицы продуктов коррозии. Слабо закрепленные на поверхности частицы в © Проблемы энергетики, 2013, № 9-10
ламинарном подслое адсорбируются на поверхности образующихся пузырьков и выносятся с ними в ядро потока, увеличивая концентрацию ПКЖ в 10 и более раз.
Отработанные данными способами пуско-остановочные режимы позволили снизить концентрацию продуктов коррозии в воде реактора ВК-50 на 1-2 порядка по сравнению с ранее применявшимися режимами эксплуатации.
Водно-химический режим для обеспечения надежной работы в условиях кипения
При исследованиях режимов с нарушением водно-химического режима была обнаружена зависимость выхода из строя оболочек твэлов корпусного кипящего реактора от плотности теплоносителя: чем выше паросодержание, тем больше дефектов по высоте ТВС. В верхней части активной зоны на границе раздела пар/вода существует наибольшая опасность для коррозионного растрескивания. Это связано с возможностью концентрирования хлоридных примесей при многократном высыхании порций воды и облегчением доступа кислорода.
Таким образом, установление и поддержание норм водно-химического режима является одной их главных задач эксплуатации оборудования в условиях кипения теплоносителя.
В 1978 г. на установке ВК-50 был внедрен нейтрально-кислородный водно-химический режим с дозированием кислорода в конденсатно-питательный тракт до концентрации 200 мкг/кг. При кислородном водно-химическом режиме значительно повысилась коррозионная стойкость углеродистых сталей и уменьшился вынос продуктов коррозии в теплоноситель. Коррозия углеродистой стали стала носить более равномерный характер, по сравнению с эксплуатацией реактора без ввода кислорода в теплоноситель. Состав отложений характеризуется наличием оксидов железа типа маггемит (y-Fe203). Маггемитовая пленка способствует замедлению коррозионных процессов на поверхности оборудования и трубопроводов. Скорость коррозии снизилась более чем в 100 раз и составила до 0,02 мм/год, а вынос продуктов коррозии - до 0,01г/м2*сут. Ввод кислорода ведет к уменьшению коррозии металла и улучшению норм качества питательной воды при работе реактора на мощности.
Кислородный водно-химический режим при эксплуатации оборудования из углеродистой стали внедрялся параллельно на реакторной установке ВК-50 и на тепловых станциях (Конаковская ГРЭС и др.). В результате были получены убедительные доказательства высокой эффективности данного водно-химического режима и была подтверждена возможность более широкого применения сталей перлитного класса в контурах тепловых и атомных энергетических установок.
Нормальное функционирование кислородного режима приводит к уменьшению случаев выхода из строя (разгерметизации) оболочек твэлов.
Химическая отмывка отложений на оболочках твэлов ТВС ВК-50
Кроме поддержания требуемого водно-химического режима другим действенным способом ресурсной стойкости теплообменной поверхности оборудования является борьба с окисными пленками и отложениями.
В связи с этим были проведены экспериментальные исследования химических отмывок оболочек твэлов различными растворами. Материаловедческие исследования проводили на твэлах ТВС после эксплуатации в активной зоне и многолетнего хранения в бассейне выдержки. После химической отмывки растворами и повторной загрузки ТВС на дооблучение в активную зону реактора также проводились материаловедческие исследования.
Проведенные исследования показали, что наиболее эффективным средством для снятия отложений с поверхности оболочек зарекомендовал раствор «ЭММАК» (mineral miracle solution). Характеристика отмывочного раствора представлена в табл. 2.
Таблица 2
Раствор «ЭММАК» в различных фазах цикла химической отмывки_
Фаза цикла Содержание, г/дм3
Окисление (2 часа) KMnO4 - 1,0 HNO3 - 1,0
Восстановление (2 часа) СбН80б - 1,0 HN03 - 1,0
После экспериментов с раствором «ЭММАК» отложения на оболочках твэлов практически полностью снимались за 1 цикл химической отмывки, включающий окислительный этап - 2 часа и восстановительный этап - 2 часа.
Изменения отложений на оболочках твэлов до и после химической отмывки раствором «ЭММАК» приведены на рис. 3, 4.
9,30 9,25 I 9,20
9,05
J
1 _ jji _L и fi
| Arft fw$ 1,. Ii .kl, i J
1 ■fil' ППР 1*1
—r
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250
Координата, мм
Рис.3. Диаметр оболочки тепловыделяющего элемента до химической отмывки
9,32
9,24
f 9,16 Й
9,08 9,00
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250
Координата, мм
Рис.4. Диаметр оболочки тепловыделяющего элемента после 1 цикла химической отмывки раствором «ЭММАК»
Как показали послереакторные исследования, химические отмывки с раствором «ЭММАК» не оказывают существенного влияния на состояние материала оболочки. После химической отмывки ТВС отработала в активной зоне реактора без образования дефектов на оболочках твэлов.
Выводы
1. Разработана методика прогнозирования накопления отложений продуктов коррозии железа на тепловыделяющих элементах корпусного кипящего реактора.
Основным механизмом разрушения оболочки твэлов является формирование парового подслоя под отложениями, достигшими критического значения.
2. Выполненное моделирование и его практическое подтверждение позволяют принять компенсирующие эксплуатационные меры для решения проблем ресурсной стойкости конструкционных материалов в условиях кипения теплоносителя.
3. Состояние теплообменной поверхности в кипящем теплоносителе в основном зависит от водно-химического режима.
4. Внедрен коррекционный (кислородный) водно-химический режим, позволяющий широко применять стали перлитного класса в контурах энергетических установок.
5. Для эффективного снятия отложений отработана технология химической отмывки, которая обеспечивает работоспособность теплообменного оборудования.
Summary
The developed methodology for predicting of deposits accumulation on the water-water reactors fuel rods is presented. The results of methods substantiation are exhibited in experiments. The experiments were performed at various stages of fuel rods operation in the boiling water reactor.
The effect of deposits formation of the small iron particles is theoretically predicted and experimentally observed. The recommendations have worked out for reducing the iron corrosion products in BWRs transient modes. These recommendations were based on the results of theoretical and experimental studies. This rule's of procedure can decide the problems of radiation safety and stability of the BWR fuel assemblies more effectively.
Keywords: vessel-type boiling water reactor (BWR), iron corrosion products, deposits in the fuel rods, the Magnus force.
Литературы
1. Тяпков В.Ф., Чудакова И.Ю., Алексеенко О. А. Водно-химический режим на энергоблоках АЭС с РБМК-1000 // Теплоэнергетика. 2011. №7. С .21-25.
2. Review of fuel failures in water cooled reactors. - Vienna: International Atomic Energy Agency, 2010, IAEA NUCLEAR ENERGY SERIES No. NF-T-2.1.
3. Курский А.С., Калыгин В.В., Семидоцкий И.И. Перспективы атомной теплофикации в России // Теплоэнергетика. 2012. №5. С.1-7.
4. Смирнова И.М. Метод аналитического контроля поверхностных отложений на оболочках твэлов ядерных реакторов с водным теплоносителем // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2009. № 11. Т. 75. С. 3-7.
5. Краснов А.М., Ещеркин В.М., Шмелев В.Е., и др. Процессы концентрирования растворенных примесей теплоносителя («хайд-аут») на исследовательском реакторе ВК-50 // Теплоэнергетика. 2002. №7. С.18-23.
6. Краснов А.М., Ещеркин В.М., Черкасов В.В. и др. Экспериментальное обоснование методики накопления продуктов коррозии железа на твэлах реактора ВК-50 // Сборник рефератов и статей «Новые технологии для энергетики, промышленности и строительства». Димитровград: ГНЦ РФ НИИАР, 2003. Вып.5. С. 17-23.
Поступила в редакцию 11 мая 2013 г.
Курский Александр Семенович - канд. техн. наук, главный инженер Высокотехнологического научно-исследовательского института неорганических материалов имени академика А.А.Бочвара (ОАО «ВНИИНМ»), Москва. Тел: 8(926)2729774. E-mail: kurskiyy.aleksandr@rambler.ru.
Калыгин Владимир Валентинович - д-р техн. наук, профессор, заместитель директора по научной работе Государственного научного центра «Научно-исследовательский институт атомных реакторов» (ОАО «ГНЦ НИИАР»), г. Димитровград Ульяновской области. E-mail: kalygin@niiar.ru.
Семидоцкий Иван Иванович - канд. техн. наук, начальник лаборатории ОАО «ГНЦ НИИАР», г. Димитровград Ульяновской области. E-mail: sii@niiar.ru.
Широков Владимир Иванович - начальник реакторной установки ВК-50, ОАО «ГНЦ НИИАР», г. Димитровград Ульяновской области. E-mail: svi@niiar.ru.
Смирнова Ирина Михайловна, канд. техн. наук, научный сотрудник ОАО «ГНЦ НИИАР». E-mail: sim@niiar.ru.
Шамардин Валентин Кузьмич, канд. техн. наук, начальник лаборатории ОАО «ГНЦ НИИАР». E-mail: svk@niiar.ru.
