Радиохимия и химия теплоносителя — конспект для студентов

Химия теплоносителя — предмет на стыке ядерной физики, материаловедения и химической технологии. От водно-химического режима (ВХР) напрямую зависят ресурс оборудования и радиационная обстановка на станции.

Зачем нужна химия теплоносителя?

Вода в реакторе — не просто охладитель. Она:

Замедляет нейтроны (в ВВЭР)
Переносит тепло к парогенератору
Растворяет борную кислоту для регулирования реактивности
Подвергается радиолизу и активации
Взаимодействует с конструкционными материалами (коррозия)

Некачественный ВХР → коррозия → утончение стенок → отложения на ТВЭЛах → ухудшение теплоотдачи → снижение мощности или авария.

Радиолиз воды

Под действием ионизирующего излучения молекулы воды разлагаются:

H₂O → H· + OH· (первичные радикалы)

Далее образуются молекулярные продукты:

H₂ — водород (горючий, требует контроля)
H₂O₂ — перекись водорода (сильный окислитель)
O₂ — кислород (коррозионно-агрессивен)

Подавление радиолиза

В первый контур ВВЭР дозируют водород (H₂) — сдвигает равновесие в сторону рекомбинации радикалов:

H· + OH· → H₂O

Оптимальная концентрация растворённого водорода: 2.2–4.5 мл(н)/кг.

В кипящих реакторах (BWR) применяют водородный водно-химический режим (HWC) или добавление благородных металлов.

Коррозия конструкционных материалов

Виды коррозии на АЭС

Общая (равномерная): медленное растворение поверхности. Скорость < 10 мкм/год для нержавеющей стали.
Питтинговая: локальные глубокие язвы, вызванные хлоридами и кислородом.
Межкристаллитная (МКК): разрушение по границам зёрен. Характерна для сенсибилизированных аустенитных сталей.
Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН): совместное действие напряжений и агрессивной среды. Главная проблема парогенераторов.
Эрозионная коррозия (ЭК): ускоренное растворение углеродистой стали потоком воды/пара. Причина утонения трубопроводов второго контура.

Защита от коррозии

Контроль содержания кислорода (< 5 мкг/кг в первом контуре)
Поддержание щелочной среды (pH₃₀₀ = 7.0–7.2 для ВВЭР)
Применение коррозионностойких сплавов (08Х18Н10Т, сплав 690)
Дозирование гидразина N₂H₄ для связывания кислорода (второй контур)

Водно-химический режим первого контура ВВЭР

Ключевые параметры

Параметр	Значение
pH при 25°С	5.8–10.3 (зависит от [B])
pH при 300°С (pH₃₀₀)	7.0–7.2
Борная кислота [H₃BO₃]	0–16 г/кг (по ходу кампании снижается)
Щелочной реагент (KOH)	подбирается под [B]
Растворённый водород	2.2–4.5 мл(н)/кг
Кислород	< 5 мкг/кг
Хлориды	< 50 мкг/кг

Борное регулирование

Борная кислота H₃BO₃ растворяется в теплоносителе. Бор-10 (¹⁰B) имеет высокое сечение поглощения тепловых нейтронов (σ_a ≈ 3840 барн).

Начало кампании: высокая концентрация бора (~16 г/кг) компенсирует избыточную реактивность свежего топлива.
По мере выгорания: бор постепенно разбавляют.
Конец кампании: [B] → 0, дальнейшая работа невозможна без перегрузки.

Подщелачивание

Борная кислота подкисляет среду → коррозия. Для компенсации добавляют KOH (или LiOH на западных АЭС). Концентрация KOH рассчитывается так, чтобы pH₃₀₀ оставался в оптимальном диапазоне при любом содержании бора.

Продукты коррозии и активации

Активация продуктов коррозии

Ионы и частицы металлов попадают в активную зону, где активируются нейтронами:

⁵⁸Ni(n,p)⁵⁸Co → T₁/₂ = 70.9 сут — основной дозообразующий нуклид
⁵⁹Co(n,γ)⁶⁰Co → T₁/₂ = 5.27 года — долгоживущий
⁵⁰Cr(n,γ)⁵¹Cr → T₁/₂ = 27.7 сут
⁵⁴Fe(n,p)⁵⁴Mn → T₁/₂ = 312 сут

Активированные продукты коррозии оседают на поверхностях контура, формируя радиоактивные отложения — главный источник дозовых нагрузок на персонал при ремонтах.

Продукты деления в теплоносителе

При негерметичности оболочек ТВЭЛов в теплоноситель попадают продукты деления:

¹³¹I (T₁/₂ = 8 сут) — индикатор разгерметизации
¹³⁷Cs (T₁/₂ = 30 лет)
Благородные газы: ⁸⁵Kr, ¹³³Xe — уходят в газовую систему

Контроль активности теплоносителя позволяет обнаружить дефекты ТВЭЛов на ранней стадии.

Водно-химический режим второго контура

Во втором контуре нет нейтронного облучения, но есть серьёзные проблемы:

Эрозионная коррозия углеродистых сталей трубопроводов
КРН теплообменных трубок парогенераторов (для сплавов 600)
Отложения на внутренних поверхностях парогенераторов

Режимы ВХР второго контура

Гидразинно-аммиачный: N₂H₄ связывает O₂, NH₃ поддерживает pH ~9.0–9.5
Этаноламиновый: моноэтаноламин (ЭТА) одновременно и pH-реагент, и восстановитель
Морфолиновый: морфолин для стабилизации pH

Системы очистки теплоносителя

Спецводоочистка (СВО)

Ионообменные фильтры: удаление ионов (борат-, хлорид-, продукты коррозии)
Механические фильтры: удаление взвешенных частиц
Угольные фильтры: сорбция радиоактивного йода

Борное регулирование

Подпитка чистым конденсатом: снижение [B] (разбавление)
Испарительные установки: выпаривание борсодержащей воды для повторного использования

Радиохимический контроль

На АЭС непрерывно контролируют:

Активность теплоносителя (γ-спектрометрия)
Содержание бора (титрование, колориметрия)
pH, электропроводность, содержание O₂, H₂
Концентрации продуктов коррозии (Fe, Ni, Cr, Co)
Содержание хлоридов и фторидов (провокаторы коррозии)

Отбор проб — через пробоотборные линии с охлаждением и снижением давления.

Вывод

Химия теплоносителя — невидимый, но критический аспект эксплуатации АЭС. Правильный ВХР минимизирует коррозию, снижает дозовые нагрузки и продлевает ресурс оборудования на десятилетия. На экзамене помните триаду: радиолиз → коррозия → активация, и логику подбора химических реагентов для каждого контура.