Контроль качества технической воды, используемой в атомной генерации, помогает обеспечить безопасность атомной энергетики.
Практически ни одно промышленное производство — от фармацевтики и косметологии, производства бумаги и химических реактивов, ювелирного дела до микроэлектроники и энергетики — не обходится без использования воды. Для этой цели годится вода разного качества, в некоторых случаях могут использоваться даже сточные воды. ГОСТов для технической воды нет, требования к ее составу диктуются технологическими параметрами, различающимися в разных отраслях промышленности. Единственный ориентир — специфические особенности производственного цикла.
Техническая вода в атомной генерации энергии применяется в системах нагрева и охлаждения. Контроль состава технологических водных сред, используемых в ядерных энергетических установках, представляет собой одну из важных задач в атомной энергетике. Качество воды влияет на безопасную и эффективную эксплуатацию установки, снижает потери тепла и опасность повреждения котла и других элементов оборудования в результате коррозии металла, выпадения коррозионного шлама в виде накипи, а также критического нарушения кислотно-щелочного баланса технологической водной среды.
Водно-химический режим в генерирующей энергию установке показывает состояние воды и пара, вступающих в контакт с оборудованием. Растворенные в воде примеси осаждаются как в реакторе, так и в парогенераторе, насосах, трубопроводах и на арматуре и, что наиболее опасно, на поверхностях ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов). Эти отложения не только ускоряют коррозию оболочки реактора, но и нарушают теплообмен между ТВЭЛом и теплоносителем. В результате ухудшения теплообмена повышается температура топлива и оболочки, что может привести к разрушению ТВЭЛа. Отложения на арматуре и насосах, поддерживающих циркуляцию воды, также приводят к их преждевременному износу.
Для снижения скорости коррозионных процессов и образования отложений на теплопередающих поверхностях парогенератора ядерной энергетической установки нужно создать барьер для превышения концентрации примесей определенного уровня. Для этого в состав теплоносителя вводят специальные реагенты. Такой режим называется коррекционным. В бескоррекционном режиме корректирующие реагенты не вводятся.
Для обнаружения органики в воде используются различные методики, например, замеры окисляемости воды, фиксация присутствия органического углерода, поглощение ультрафиолета и другие. Исследования в этой области, подкрепленные полученными лабораторными результатами, показали, что для оценки содержания органических примесей по показателю общего органического углерода (ООУ, в международной системе обозначений ТОС) в водных технологических средах целесообразно использовать метод мокрого персульфатного окисления с инфракрасным детектированием. Химическое окисление углеродных примесей сильным окислителем показало себя даже более эффективным способом, чем ультрафиолетовое излучение. Персульфатное окисление в сочетании с NDIR (Недисперсионный инфракрасный датчик) дает результат более высокой точности.
В современных АЭС с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР) применяется двухконтурная система: в первом замкнутом контуре вода циркулирует по кругу, ее качают насосы. Во втором контуре вода под действием тепла из первого контура мгновенно закипает и превращается в пар, вращающий турбину. Основным источником органических примесей в технологических средах являются ионитовые фильтры основных технологических контуров ядерной энергетической установки, следовательно, выбор качественных ионообменных материалов и их подготовка к использованию оказываются наиболее важной технологической процедурой, обеспечивающей поддержание чистоты технологических сред.
Водо-водяной корпусной энергетический ядерный реактор с водой под давлением под общим названием RWR признан наиболее удачным решением и еще в прошлом веке стал основой атомной энергетики в мире. ВВЭР продолжает развиваться, теперь главная задача — повышение экономической эффективности, в том числе, термодинамических параметров, и, конечно, на первом месте безопасность. В тепловой энергетике все особенности водно-химического режима теплоносителя давно изучены и отработаны, а в атомной энергетике применение воды околокритических параметров требует особенного внимания, так как эрозия, коррозия и прочие неблагоприятные явления напрямую влияют на безопасность энергетической установки.
В современной атомной энергетике России тенденции задают легководные реакторы ВВЭР, в которых обычная чистая вода является одновременно теплоносителем и замедлителем нейтронов. ГК «Росатом» видит долгосрочную перспективу технологии ВВЭР в разработке реакторов со сверхкритическими параметрами теплоносителя. Это позволит повысить КПД до 45%. В ВВЭР нового поколения теплоноситель будет работать под таким давлением, при котором различие между жидким и парообразным состоянием становится исчезающе малым — вода занимает промежуточное состояние между ними.
Для онлайн контроля состояния технологических водных сред вторых контуров ядерных энергетических установок с бескоррекционным водно-химическим режимом работы котла целесообразно использовать портативные приборы как, например, отечественный анализатор АТОС 200S (Analyzer Total Organic Carbon), который производит российское предприятие «Практик-НЦ» в Зеленограде. АТОС 200S — это анализатор проточного типа, который встраивается в систему подачи воды. Небольшая проба проходит через прибор непрерывно, детектор углерода делает замеры с частотой 6 минут, а отработанную водную пробу безопасно утилизировать через обычную канализацию. Автоматические проточные анализаторы работают круглосуточно, что позволяет получать данные в непрерывном режиме в виде аналитических отчетов.
Эксплуатационные уровни содержания органических примесей в технологических средах трехконтурных ядерных энергетических установок транспортного назначения составляют в первом контуре от 50 до 350 мкг/кг, во втором – от 15 до 180 мкг/кг, в третьем – от 50 до 300 мкг/кг, что согласуется с требованиями, предъявляемыми к технологическим средам АЭС с ВВЭР. Результаты исследований не установили существенного влияния на водно-химический режим первого, второго и третьего основных контуров органических примесей, выходящих из ионообменных фильтров и попадающих в среды вместе с подпиточной водой.
По результатам проведенных испытаний отмечен эффект выхода в теплоноситель скрытых примесей, который не фиксируется штатными средствами контроля. Использование анализаторов углерода типа АТОС 200S позволяет оперативно определять органические примеси, наличие которых указывает на нарушение штатной работы технологического оборудования, например, попадание в воду второго контура турбинного масла или других случайных примесей органического происхождения, а также проскок ионитов в питательную воду парогенераторов. Вовремя обнаруженная неисправность позволит избежать незапланированного ремонта или даже безвозвратной поломки установки.