Технология дозирования цинка в теплоноситель перед окончательным остановом реактора дает возможность снизить дозовые нагрузки на персонал, осуществляющий работы по выводу из эксплуатации, а также исключить необходимость использования жестких химических реагентов для дезактивации контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ).
В ближайшие годы начнется реализация одной из важнейших долгосрочных отраслевых задач – подготовка энергоблоков с реакторами РБМК-1000, исчерпавшими свой проектный ресурс с учетом продления срока службы, к выводу из эксплуатации. В настоящее время в России на Ленинградской, Курской и Смоленской АЭС эксплуатируются 11 энергоблоков с реактором типа РБМК-1000 (рис. 1). За пять лет до окончательного останова реактора должны быть начаты работы по подготовке проекта вывода энергоблока из эксплуатации.
Рис. 1. Периоды работы энергоблоков до окончания проектного срока эксплуатации с учетом продления срока службы
Вывод из эксплуатации предусматривает большой объем работ по демонтажу и утилизации элементов металлоконструкций, оборудования и трубопроводов, загрязненных радионуклидами, что связано с повышенными дозовыми нагрузками на персонал. При этом снизить степени загрязненности внутренней поверхности КМПЦ достаточно сложно.
При выводе из эксплуатации образуется большое количество радиоактивных отходов, сравнимое с их накоплением за весь период работы энергоблока. Наиболее значительный вклад вносит дезактивация оборудования КМПЦ, предусматривающая многоэтапную обработку поверхностей с использованием коррозионно-агрессивных реагентов высокой концентрации. Например, дезактивация КМПЦ энергоблока РБМК приводит к образованию 5-6 тыс. м3 жидких радиоактивных отходов. Как показал инцидент на Игналинской АЭС в октябре 2010 года (5 октября 2010 года на Игналинской АЭС произошли разгерметизация в одного из компонентов КМПЦ и утечка за пределы контура около 300 т радиоактивного шлама), даже после окончательного останова реактора и выгрузки топлива проведение жесткой химической дезактивации КМПЦ может привести к значительным проблемам.
Опыт дозирования цинка в теплоноситель
Изучение опыта зарубежных АЭС показывает возможность предотвращения данных проблем за счет исключения необходимости проведения жестких химических дезактиваций контура циркуляции. Это происходит благодаря усовершенствованию водно-химического режима (ВХР) на заключительном этапе эксплуатации: перед выводом из эксплуатации в теплоноситель основного технологического контура вносят микродозы цинка.
В подавляющем большинстве кипящих реакторов (BWR) и некоторых реакторах с водой под давлением (PWR) зарубежных АЭС более 25 лет успешно применяется технология дозирования микродобавок цинка в водный теплоноситель как с целью подавления процессов коррозии аустенитных сталей и никелевых сплавов, так и для улучшения радиационной обстановки и снижения дозозатрат персонала. Так, практически во всех кипящих реакторах США с середины 1980-х годов внедряется дозирование цинка в теплоноситель (рис. 2), а с начала XXI века данная технология активно применяется и в реакторах с водой под давлением (рис. 3).
Рис. 2. Динамика внедрения различных технологий коррекционной обработки (цинком, водородом и благородными металлами) теплоносителя на 34 энергоблоках США с кипящими реакторами BWR
Рис. 3. Динамика внедрения технологии дозирования цинка в теплоноситель реакторов PWR США
Улучшение радиационной обстановки за счет дозирования цинка в теплоноситель позволит сократить сроки до начала демонтажа, а также снизить уровень облучения персонала в процессе разборки и утилизации оборудования и трубопроводов. Выполненные НИКИЭТ расчетные оценки показывают, что абсолютный эффект дозирования цинка в КМПЦ РБМК-1000 будет выше по сравнению с реакторами BWR, учитывая большую поверхность аустенитных сталей. В зависимости от времени дозирования, относительное снижение мощности дозы будет возрастать от двух до пяти раз.
Обобщение опыта зарубежных АЭС с кипящими реакторами показывает, что при дозировании цинка отсутствует необходимость регулярного проведения контурных химических дезактиваций. Отмеченный эффект резкого снижения скорости реактивации обусловлен тем, что уже в начальный период этого процесса наблюдается интенсивное вымывание с поверхностных оксидных пленок в поток теплоносителя кобальта и других радиоактивных продуктов коррозии. При этом дозируемый цинк в значительной степени поглощается оксидной пленкой, и на поверхностях первого контура формируeтся термодинамически наиболее устойчивая цинковая шпинель, которая препятствует дальнейшему внедрению радиоактивного кобальта в оксидные пленки.
В 1990-1996 годах в рамках реализации отраслевой программы «Повышение экологической безопасности АЭС с реакторами РБМК путем организации ВХР с дозированием цинка» НИКИЭТ при поддержке ряда отраслевых организаций выполнил комплекс работ по отработке технологии дозирования цинка в теплоноситель РБМК-1000. Исследования завершились испытаниями узла дозирования цинка, сконструированного ГИ ВНИПИЭТ, на энергоблоке №3 Смоленской АЭС, без введения цинка непосредственно в КМПЦ, в результате которых была подтверждена возможность реализации технологии дозирования цинка на АЭС с РБМК-1000. В 2010 году в ОАО «НИКИЭТ» прорабатывались усовершенствования технологии дозирования цинка в теплоноситель российских АЭС с использованием окиси цинка высокой чистоты отечественного производства.
На основании оценок, выполненных НИКИЭТ, ВНИИАЭС, ГИ ВНИПИЭТ и НИЦ «Курчатовский институт», на один энергоблок РБМК необходимо приблизительно 15-25 кг цинка в год. Стоимость обедненного цинка составляет $5-10 за 1 г. Предварительные оценки показали, что затраты на внедрение данной технологии будут существенно меньше расходов на мероприятия по выводу из эксплуатации с использованием традиционных технологий химических дезактиваций реакторного оборудования и трубопроводов.
Варианты дозирования цинка в теплоноситель РБМК-1000
Вариант | Дозируемый цинк | Продолжительность в период до останова и выгрузки топлива | Период после окончательного останова и выгрузки топлива | |
1 | Обедненный по изотопу 64Zn | от нескольких месяцев до пяти лет | - | |
2 | Сочетание | Обедненный по изотопу 64Zn | от нескольких месяцев до трех-пяти лет | - |
Природный | - | От нескольких недель до года | ||
3 | Природный | - | От нескольких недель до года | |
4 | Природный | от нескольких месяцев до двух-трех лет | От нескольких недель до года | |
Для определения необходимой продолжительности дозирования цинка перед окончательным остановом реактора должна быть проведена оценка радиационного состояния каждого конкретного энергоблока, учитывающая накопление количества радиоактивных продуктов коррозии в первом контуре. Судя по опыту ряда зарубежных АЭС, этот период может составлять около трех-пяти лет. Переходящие с поверхностных пленок в воду радиоактивные продукты эффективно выводятся штатными системами очистки теплоносителя, обеспечивая их рациональную утилизацию и уменьшение объема отходов.
Процессы замещения кобальта цинком в оксидных пленках на поверхностях первого контура могут протекать и при температурах ниже рабочих. В случае, если энергоблок был остановлен ранее и топливо выгружено из реактора, для реализации предлагаемой технологии потребуется разогрев и циркуляция воды с добавками цинка в теплоносителе первого контура в течение определенного времени (нагрев до температуры 150oС может быть обеспечен, например, работой главного циркуляционного насоса – ГЦН).
При работе реактора на мощности во избежание наработки радионуклида 65Zn целесообразно применять цинк, обедненный по изотопу 64Zn. В случае применения рассматриваемой технологии после окончательного останова реактора следует использовать дешевый цинк природного изотопного состава.
Для реализации предложения о дозировании цинка в рамках программы подготовки энергоблока к выводу из эксплуатации, составляемой за пять лет до истечения проектного срока его службы, необходимо выполнить расчетно-экспериментальное обоснование выбора оптимального и экономически наиболее приемлемого варианта.
В таблице представлены возможные варианты применения как природного, так и обедненного по изотопу 64Zn цинка. Продолжительность работы реактора с дозированием обедненного цинка на завершающем этапе эксплуатации до окончательного останова энергоблока должна быть определена расчетным путем, исходя из экономической эффективности внедрения данной технологии, учитывая стоимость обедненного цинка. Соответствующие расчетные оценки должны быть выполнены в зависимости от загрязненности трубопроводов и оборудования для конкретного энергоблока. Это позволит определить минимально необходимый период времени, в течение которого целесообразно дозировать обедненный цинк в теплоноситель действующего энергоблока перед окончательным остановом реактора. Результаты такой оценки для разных энергоблоков могут существенно отличаться.
Целесообразно также провести оценку эффективности дозирования природного цинка с повышенной концентрацией после останова реактора и выгрузки топлива. При этом следует оценить количество вводимого цинка и выбрать оптимальную периодичность включения и время работы ГЦН для поддержания температуры в интервале 120-150oС, чтобы обеспечить замещение цинком кобальта из оксидных пленок и выведение радиоактивных продуктов коррозии штатными системами очистки теплоносителя.
Если при эксплуатации целесообразно дозировать обедненный цинк до концентрации около 10 мкг/дм3, то после окончательного останова реактора и выгрузки топлива возможны более высокие концентрации природного цинка для сокращения продолжительности обработки. Необходимо выполнить экспериментальное исследование кинетики процесса замещения цинком кобальта для уточнения температурного диапазона эффективного протекания процесса.
Целесообразно также рассмотреть возможность применения дозирования цинка перед выводом из эксплуатации и других типов отечественных реакторов.
Авторы
А.А. Петров,
С.В. Европин,
В.А. Юрманов,
В.Н. Белоус,
С.М. Григорович,
Ю.Э. Хандамиров,
Е.В. Юрманов
