Тема 3

натрии. Массоперенос продуктов коррозии в натриевых контурах, математическое моделирование и

экспериментальные исследования. Устройства и методы контроля чистоты натрия и защитного газа.

 поступает в теплоноситель за счет

диффузии через оболочку твэл; в литиевом теплоносителе образуется за счет взаимодействия лития с нейтронами;
   поступают в теплоноситель при разгерметизации оболочки твэл;
  концентрация в теплоносителях на порядки меньше, чем кислорода, в защитном газе – не более 0,3 % об.

производства;
– конструкционные материалы;
– защитный газ;
– диффузия газов из атмосферы через стенки

контура;
–– разгерметизация контура при проведении монтажных и ремонтных работ;
– пары и аэрозоли масла и других органических смазочных веществ, используемых в центробежных циркуляционных насосах и других подвижных механизмах реакторных установок;
– продукты коррозии конструкционных материалов;
– продукты активации исходных нерадиоактивных примесей в результате взаимодействия с нейтронами и -излучением, осколки деления;
– диффузия водорода из водяного контура в парогенераторах натрий-вода;
– аварийные ситуации – протечки воды в парогенераторах натрий-вода, протечки масла и т.д.

Интенсивность источников определяется конкретными технологиями, выбранными параметрами и конструкторскими решениями.

Для установки БН-1200 количество металла, омываемого натрием, за 60 лет эксплуатации установки составит 6600 тонн.
В результате эксплуатации АЭС в натрий может поступать - до 80 кг водорода и до 330 кг кислорода в год.

1 контура; 4 - Электродвигатель насоса; 5 - Большая поворотная

пробка; 6 - Радиационная защита; 7 - Теплообменник "натрий-натрий"; 8 - Центральная поворотная колонна с механизмами СУЗ; 9 - Активная зона.

– система подпитки аргоном: поступление с аргоном: Н2О, О2, СО2.
 2

– газовая полость реактора (ГПР): образование или смыв отложений на поверхности (гидроксид, гидрид, оксид, карбонат натрия, углеводороды).
 3 – баки ГЦН: масло из системы смазки подшипников ГЦН.
 4 – канал охлаждения бака реактора, основной гидравлический тракт между насосом и АЗ: отложения на поверхности каналов и в застойных участках; вымыв осадков.
 5 – активная зона, зона воспроизводства и хранилище (АЗ): растворение конструкционного материала; отложение частиц.
 6 –основной гидравлический тракт между АЗ и промтеплообменнкиком (ПТО): растворение конструкционного материала, отложение частиц; вымыв осадков.
 7 – промежуточный теплообменник: растворение конструкционного материала; отложения на поверхности каналов, кристаллизация в потоке теплоносителя; вымыв осадков.
 8 – придонная область бака реактора: кристаллизация примесей и отложение частиц; вымыв осадков.
 9 – холодная ловушка: кристаллизация примесей и отложение частиц; вымыв осадков.

Поведение примесей в натрии

установок

Источники взвесей
кристаллизация примесей в объеме натрия
химические реакции

эрозии материала поверхности, в т. ч. отложений

Результаты химико-спектрального анализа осадка с м/к фильтров
 

Спектр размеров частиц лежит в пределах от сотых долей до сотен микрометров, в массовом
отношении преобладают частицы с размерами в единицы и десятки микрометров

установок
Результаты микроскопического анализа частиц, расположенных на подложках

= K Cч
где К - коэффициент отложения;
Сч - концентрация частиц

в потоке жидкости.
На основании известных экспериментальных данных для различных жидкостных взвесенесущих потоков получены полуэмпирические зависимости для расчета величины К взвесенесущего потока натрия
K = U* (2,08 10-4 l2 U*2 + 5,35 10-25 T/(l ))/ 2 при l < 31 /U*
K = 0,2 U при l > 31 /U*
где U*- динамическая скорость потока;
l - размер частицы;
T - температура натрия (К);
 - плотность натрия;
 - вязкость натрия.
Для круглых каналов величина динамической скорости рассчитывается по формуле:
U* = U / (5,15 lg Re - 4,64) где Re = U D/ - критерий Рейнольдса;
U - средняя скорость потока;
D - диаметр канала.

1 – расчет по методике автора (среднее значение);
1’ и

1’’ – отклонения от среднего значения за счет неточности определения коэффициентов адгезии и трения;
2 – данные из литературы;
3 – эксперимент автора.

3 - хранилище; 4 - экраны; 5 - нейтронная подпорка;

6 - верхняя камера; 7 - промежуточный теплообменник; 8- всасывающая камера насоса; 9 - напорный трубопровод; 10 - холодная ловушка; 11 - канал охлаждения бака реактора.

Упрощенная схема основных элементов 1 контура БН-600, участвующих в массопереносе взвешенных примесей

первого контура БН-600
V dcч/d = (  Ii - 

Ki Si fi cч)  Ii = 40 кг/год
V - объём натрия в контуре; I - величина источника взвешенной фазы; S - площадь поверхности, омываемая натрием; f - доля от общего расхода натрия, приходящаяся на данный элемент контура; i - индекс, характеризующий элемент натриевого контура

сроки эксплуатации;
– повышенные параметры;
– нештатные ситуации

– безопасность
– экономические показатели
Система: теплоноситель-конструкционный

материал-примесь
Процессы: диффузия, растворение, кристаллизация, химическое взаимодействие, гидродинамическое взаимодействие, взвесеобразование, коагуляция, адгезия, трение и др.

взаимодействия примесей в теплоносителе
Этапы процесса переноса:
-  выход компонентов конструкционных материалов

(Fe, Cr, Ni) в теплоноситель;
-  перенос компонентов конструкционных материалов потоком теплоносителя;
- образование зародышей твердой фазы при пересыщении теплоносителя по металлическим примесям (в охлаждаемых участках);
-  коагуляция частиц в образовавшейся мелкодисперсной системе;
-  осаждение частиц на поверхности проточной части;
-  осаждение частиц в застойных зонах;
- отложение растворенных примесей на поверхности частиц или растворение частиц;
-   осаждение растворенных примесей на поверхности каналов проточной части.

взаимодействия примесей в теплоносителе

размерам частиц по закону Беннета для различных определяющих параметров: 1

- a = 9, le = 1,77·10-9 м; 2 - a = 6, le = 2,5·10-9 м; 3 - a = 4, le = 3·10-9 м

частиц для различных законов распределения:
1 - по закону Беннета

(а = 9; le = 1,77·10-9 м);
2 - по закону Гаусса ( = 4,76 10-8 м; le = 1,77·10-9 м);
3 - логарифмически нормальное распределение ( = 1,1265; le = 1,77·10-9 м).

взаимодействия примесей в теплоносителе
Одномерная модель
Эволюция дисперсной системы (кинетическое уравнение

коагуляции)

m, m’ – массы соударяющихся частиц;
 – ядро кинетического уравнения;
S и V – площадь поверхности, омываемой теплоносителем, и объём рассматриваемого участка проточной части циркуляционного контура;
ko (m) – коэффициент отложения частиц на поверхности каналов;
kz(m) – коэффициент, характеризующий осаждение частиц в застойных зонах;
I1(m), I2(m) – интенсивности объемного и эрозионного источников взвеси для частиц массой m, кг/(м3с).


Плотность потока частиц на стенку канала J =  k(m) f(m) m dm 0

взаимодействия примесей в теплоносителе
 = (2/3) (kbT/) (m1/3 + m’1/3)

(m-1/3 + m’-1/3) +
+ 0,31(o/)1/2(m1/3 + m’1/3)3/p
 - динамическая вязкость; o - энергия турбулентных пульсаций

Изменение во времени концентрации растворенной примеси

Ядро кинетического уравнения

концентрации примеси у стенки канала и насыщения;
t и p – коэффициенты массоотдачи от стенки канала и поверхности частиц;
p и l – плотность и размер частиц;
mx – масса наиболее крупной частицы

взаимодействия примесей в теплоносителе
Концентрация примеси в теплоносителе, при которой образуются

зародыши твердой фазы (уравнение Томсона)

Концентрация насыщения примеси в натрии

Коэффициент отложения

Замыкающие соотношения

гидравлический тракт с циркуляцией основной массы теплоносителя.
- Замкнутый контур

условно разбивается на участки, характеризующиеся постоянными геометрическими и гидродинамическими параметрами.
- Участки моделируются прямыми круглыми каналами.
- Используется лагранжева система координат.
- Определено время прохождения теплоносителя в каждом участке контура, геометрические параметры, гидродинамические и температурные режимы на каждом участке.
- Длительность прохода натрия по контуру 48,37 с.

Одномерная модель

с); 2 - зона воспроизводства (1,89 с);

3 - хранилище (9,12 с); 4 - верхняя камера (5,28 с) + смесительная камера (6,05 с) + коллектор ПТО (0,63 с); 5 - ПТО (6,63 с);
6- коллектор ПТО (0,63 с) + сливная камера ПТО (18,03 с) + всасывающая камера насоса с примыкающими полостями (7,34 с);
7 - напорный трубопровод (1,10 с); 8 - напорный коллектор (1,59 с).

Одномерная модель

размерам частиц в натрии первого контура БН-600 на входе в

промежуточный теплообменник (1) и ее аппроксимация зависимостью Беннета (2)

поверхность гидравлического тракта, по ходу натрия в первом контуре БН-600

Скорость роста отложений составляет около 0,38 мкм/год в активной зоне (без учета растворения отложений) и 0,08 мкм/год в промежуточном теплообменнике при пористости отложений 50%

в гидравлическом тракте первого контура БН-600
Концентрация непрерывно генерируемых частиц

взвесей (средний размер 0,02 мкм) в натрии первого контура составляет около 0,0005 млн-1 и они, наряду с растворенными компонентами конструкционного материала, в основном определяют массоперенос продуктов коррозии в контур

БН-600
W, кг/(м2 с)
Одномерная модель
Результаты расчетов
L, м

БН-600
W, кг/(м2 с)
L, м
Результаты расчетов
Одномерная модель

в одномерном приближении и соответствующие программные модули на ЭВМ.

Наряду

с процессами, рассматриваемыми в предыдущей модели, учитываются реакции взаимодействия оксида натрия с хромом и железом в натрии в неизотермическом контуре из хромоникелевой стали.

Образование взвесей продуктов коррозии обусловлено химическим взаимодействием примесей в потоке натрия с образованием слаборастворимых продуктов реакции.

Моделирование массопереноса примесей в первом контуре с учетом химических превращений в системе натрий-примесь-конструкционный материал

NaCrO2

Кинетическое уравнение реакции

dc(NaCrO2)/d = K( c(Cr) c(Na2О)2 - c(NaCrO2)/К

)
К = КТ с(NaCrO2)s / c(Cr)s c(Na2O)s2

KT = a(NaCrO2) a(Na)3/ a(Cr) a(Na2O)2 – константа равновесия
(KT = exp(-G0/RT))
K - константа скорости реакции

+ 4х (c(Cr)w - c(Cr))/Dk

dc(Na2О)/d = - 2dc(NaCrO2)/d +

4о (c(Na2О)w - c(Na2 О))/Dk

dc(NaCrO2)/d =dc(NaCrO2)/d + 4ох (c(NaCrО2)w - c(NaCrО2))/Dk
Dk – диаметр канала;
i – коэффициент массообмена компонента реакции со стенками канала.
i = Nud Di/Dk
Nud = 5 + 0,025 Ped0,8, Ped = UDk/Di

3 – нагреватель; 4 – источник примеси; 5 – фильтр

взвесей.

Массоперенос продуктов коррозии в натриевых контурах, математическое моделирование и экспериментальные исследования

трубки

фильтра: 5,2 г
Сетка фильтра: 1 г

кислорода в натрии 1-ый эксперимент ≈ 80 млн-1, 2-ой эксперимент ≈ 140 млн-1)
Проведены эксперименты

и расчетно-теоретический анализ массопереноса продуктов коррозии в охлаждаемом канале с учетом химического взаимодействия компонентов стали с кислородом в натрии. Имеет место соответствие расчета с экспериментом при использовании физико-химических констант, полученных в наших исследованиях.

в натриевых контурах ЯЭУ как при низком содержании кислорода и

водорода в натрии, так и при их повышенном содержании. Такие оценки необходимы для прогнозирования наступления аварийных ситуаций.

системам и методам контроля за содержанием примесей в натрии

дистиллятор.

1- вакуумная
камера;
2- поворотное устройство;
3- стаканы;
4- сливная

трубка;
5- конденсатор.

корпус камеры пробоотбора;
2 - кассета со стаканчиками для проб;

3 - основное уплотнение;
4 - шток;
5 - замораживающее уплотнение;
6 - нижнее уплотнение бокса;
7 - перчаточный бокс;
8 - лампа освещения бокса;
9 - верхнее уплотнение бокса;
10 - редуктор;
11 - электропривод;
12 - контейнер для транспортировки кассеты с пробами; 13 - уплотнение контейнера;
14 - стекло; 15 – перчатки

Пробоотборник радиоактивного натрия

водорода в натрии ИВА-1
А – блок высоковакуумный;
Б –

блок натриевый;
В – устройство калибровочное,
1 – насос НМД – 0,0063,
2 – датчик водорода,
3 – вентиль или пережим вакуумный,
4 – рекуператор,
5 – основной нагреватель,
6 – дозатор водорода,
7 – бачок мерный,
8 – вентили,
9 – манометр,
10 – термопары, 11 – блок питания

течи G=1-100 г/с
Большие течи G > 100 г/с
Условие применимости метода
саморзвитияобнаружения
Порог

чувствительности – 0,01 млн-1
Собственная постоянная времени
(быстродействие) – 15 с

}ИВА

Сталь 10Х2М =g-0,8exp(9100/T-10)
Сталь 03Х20Н40Б =g-0.9exp(8100/T-5,65)

- время саморазвития течи (до g=1-5 г/с)
- толщина стенки, мм
g – величина течи, г/с

индикаторов

1 – основной вентиль,
2 – теплообменник,
3 – регулирующий

вентиль,
4 – карман термопары,
5 – расходомер

– таблетка электролита
2 – трубка из железо-никелевого сплава
3 – Pt

электрод
4 – защитная сетка
5 – подсоединительные патрубки

датчика водорода с жидким протонопроводящим электролитом
1 – внутренняя труба

из нержавеющей стали;
2 – внешняя труба из нержавеющей стали; 3 – конусное уплотнение;
4 – тефлон;
5 – фланец;
6 – изолятор из оксида алюминия; 7 – электрод сравнения (Li-LiH);
8 – электролит (СаС12-СаН2);
9 –мембраны из армко-железа

детектирования углерода
1 – баллон с воздухом;
2 – баллон с

аргоном;
3 – система очистки от углеводородов; 4 – система очистки от паров воды и кислорода;
5 – регулятор расхода;
6 – диффузионный датчик углерода с вюститной смесью;
7 – газоанализатор (ЭХЯ)

для определения содержания трития в натрии
1  пропорциональный счетчик;
2

 зонд с мембраной;
3  расходомер

водорода, углерода, трития в натрии

N, Fe, Si, Bi, Ba, Sn, хлориды
Пробковый индикатор – Н2,

О2

Системы со встроенными в бак реактора датчиками

Диффузионная мембрана Н2, Т2, С
+ газ-носитель
+регистрирующие приборы
(хроматограф, массспектрометр счетчик активности и др.)
Электрохимическая ячейка О2 ,Н2, С
+ потенциометр
Метод образцов стандартов
Перспективные направления
-Размещение ПИ в баке реактора
-Активометры для промышленного применения
-ИВА для условий I контура
-Встроенный блок: диффузионная мембрана (Т2, С)+ЭХЯ (О2 ,Н2)

натрия в полном объеме проводят два отбора проб металла:
отбор без

дистилляции в кварцевые и никелевый стаканы объемом 10 см3 для анализа на металлические примеси, азот, кремний и хлориды;
отбор с дистилляцией натрия в кварцевые стаканы объемом 10 см3 для определения углерода.
Для проведения химических анализов используют в основном методики, разработанные в ГНЦ РФ-ФЭИ.

Содержание углерода (нелетучих форм) определяют дистилляционно-потенциометрическим методом. Предел обнаружения метода 410-4% масс. Доверительные границы погрешности результата анализа установлены для диапазона определяемых содержаний от 4,410-4 до 510-3% масс, граница относительной погрешности 45%.
Содержание азота (нитридных форм)определяют фотоколориметрическим методом. Предел обнаружения метода 1,610-4% масс. Доверительные границы погрешности результата анализа установлены для диапазона определяемых содержаний от 1,610-4 до 310-3% масс., границы абсолютной погрешности (1,64,5)10-4% масс.
Содержание хлоридов определяют ионометрическим методом. Предел обнаружения метода 1210-4% масс. Диапазон измерений (15)10-3% масс., границы относительной погрешности (38,86,4)10-3% масс.
Содержание элементов-примесей кальция, железа, олова, бария, висмута и кремния определяют прямым атомно-эмиссионным методом. Чувствительность метода составляет 5,310-4% масс. для кальция, 210-3% масс. для железа и олова, 110-3% масс. для бария, 7,810-4% масс. для кремния.
Определение содержания калия и общей щелочности в пересчете на натрий проводят по ГОСТ 3273-75. Пламенно-фотометрический метод основан на измерении интенсивности излучения резонансных линий лития и калия, возбуждаемых в ацетилено-воздушном пламени. Предварительно пробу натрия переводят в солянокислый раствор. Предел обнаружения метода составляет для калия 30 млн-1, для лития 3 млн-1.
Содержание цезия-137 определяют прямым гамма-спектрометрированием проб натрия. Нижний предел измерения составляет 1102 Бк/кг.
Содержание кислорода и водорода определяют методом пробкового индикатора. Нижний предел обнаружения кислорода составляет 110-4% масс., для водорода 110-5% масс. Относительная погрешность метода пробкового индикатора составляет до 50%.

(сумма нелетучих форм) основан на отгонке металлического натрия из пробы

дистилляцией в вакууме при остаточном давлении <0,13 Па и температуре 360-380оС, последующем сжигании дистилляционного остатка в токе кислорода при 1100оС и потенциометрическом определении количества выделившегося диоксида углерода с помощью поглотительного раствора на основе баритовой воды при рН=10,0+0,5. Предел обнаружения метода составляет 5 млн-1 при навеске пробы натрия 10 г.
Определение кислорода, находящегося в натрии в виде окислов, гидроксида и карбоната натрия, включает предварительное удаление металлического натрия из пробы испарением в вакууме при остаточном давлении <0,13 Па и температуре 360-380оС, растворение дистилляционного остатка в воде и последующее ацидометрическое титрование образовавшегося при этом гидроксида, эквивалентного количеству кислорода в анализируемой пробе. Предел обнаружения метода составляет 5 млн-1 при навеске пробы натрия 10 г.
Метод определения нитридной формы азота основан на растворении пробы натрия в воде, отгонке образующегося аммиака с потоком аргона, поглощении в кислотном растворе и колориметрировании раствора после добавления реактива Несслера. Предел обнаружения метода составляет 1 млн-1 при навеске пробы натрия 2-3 г.
Для определения металлических примесей используются атомно-эмиссионный и пламенно-фотометрический методы. Прямой атомно-эмиссионный метод позволяет определить одновременно примеси бериллия, магния, кальция, хрома, бария, алюминия, титана, ванадия, стронция, молибдена, марганца, железа, кобальта, никеля, меди, серебра, кадмия, галлия, индия, олова, свинца и висмута с чувствительностью в пределах 1-10 млн-1. Для повышения чувствительности метода и, как следствие, надежности получаемых результатов производится предварительное концентрирование путем отделения основной массы натрия. В этом случае метод включает внесение в пробу навески графита (150-200 мг), дистилляцию натрия в вакууме при остаточном давлении <0,13 Па и температуре 350-370оС, обработку дистилляционного остатка хлористым водородом и сжигание в дуге постоянного тока. Чувствительность метода с концентрированием примесей составляет 0,05-0,5 млн-1.
Содержание радиоактивных примесей в натриевом теплоносителе первого контура определяется прямым гамма-спектрометрическим измерением отобранных проб. Снятие гамма-спектров производится с помощью германий-литиевого детектора, связанного с гамма-спектрометром. Расшифровка гамма-спектров позволяет установить величины удельных активностей радионуклидов, распад которых сопровождается гамма-излучением.
Определение содержания альфа-нуклидов (полония, плутония, урана) основано на переведении пробы натрия в раствор и последующем избирательном осаждении на люминофоре Б-3С (сульфид цинка, активированный серебром) полония при рН=1,0-1,5, плутония при рН=3,0+0,1 и урана при рН=5,8+0,2. Радиоактивность элементов определяют путем радиометрических измерений числа фотовспышек, возникающих под действием альфа-частиц на кристаллах люминофора. Предел обнаружения метода составляет 0,007 Бк/г натрия.

защитном газе необходим для избежания неконтролируемых загрязнений теплоносителя при проведении

технологических операций. В процессе эксплуатации АЭС анализ защитного газа позволяет получить информацию о разгерметизации твэл – появление ГПД в аргоне ГПР – и о течи парогенератора – водород в аргоне второго контура. Были разработаны и внедрены в промышленном масштабе методики анализа примесей в газе с использованием стандартных приборов: газового хроматографа ЛХМ-8, «Циркон», «Байкал», газоанализатора ВТИ, которые позволили контролировать кислород, азот, летучие углеродосодержащие примеси в пределах 10-7 – 10-3 об. доли.
Для контроля водорода в аргоне второго контура и ГПД в ГПР были разработаны специальные схемы отбора газа. Их основными составляющими являются фильтры для очистки от паров натрия, нагнетатели газа (для первого контура) и системы регистрации примесей. Для контроля водорода в системе используется кондуктометрический анализатор водорода КАВ-7. Система внедрена и использована на установках БН-350 и БН-600.
В последние годы разработаны, изготовлены и прошли испытания новые приборы и устройства контроля водорода (приборы СОВ и АВ).

source of particles I1 (m) can be calculated in two

ways. The first method is based on using the Thomson equation to determine the critical saturation of the solution ccr. In this case, the concentration of the particles nuclei formed is determined as the difference between the concentrations with critical supersaturation and saturated solution, taking into account the correction factor k1
cи = ccr – k1 cs
The density of the particle mass distribution by size
и(l) = a/le (l/le)a-1 exp(-(l/le)a)
where le and a are constants for a given disperse system
Density of the mass distribution of the embryos of particles by mass
fи (m) = cи и(l) l / (3m2)
Finally we get
I1(m) = fи(m) m dm/d

source of particles is to use the results of the

kinetic theory of homogeneous nucleation
I1(m) = J(m) dm
The rate of nucleation in a supersaturated liquid


where K(m) is the kinetic coefficient of homogeneous nucleation;
Wk is the energy of the formation of a spherical nucleus from solution;
k is the Boltzmann constant.

The intensity of the particles source