X Юбилейная Российская научная конференция «Радиационная защита и безопасность в ядерных технологиях», , Москва - Обнинск СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫВОДЕ ИЗ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОБЛОКОВ РБМК В.А.Юрманов, К.И.Шутько, Е.В.Юрманов, Д.А.Марченков

2 Тезисы 1\3 Одна из задач атомной энергетической отрасли России в ближайшей перспективе - вывод из эксплуатации 11 энергоблоков РБМК Проведение модернизаций и восстановления ресурсных характеристик графитовой кладки обеспечили увеличение сроков эксплуатации до 45 лет, причем окончательный останов головного энергоблока РБМК-1000 на Ленинградской АЭС планируется в 2018 г. Развитая конфигурация технологической схемы РУ РБМК обуславливает сложность обеспечения радиационной безопасности работ по ВЭ. Анализ инцидента при ВЭ блока 1 Игналинской АЭС с выходом через барьер безопасности радиоактивной жидкой среды показал коррозионную опасность проведения жестких химических дезактиваций.

3 Тезисы 2\3 Радикальный способ предотвращения риска повторения имевших место на Игналинской АЭС коррозионных повреждений и радиационных аварий - исключение самой необходимости дезактивации КМПЦ РБМК с использованием коррозионно- агрессивных составов. После длительной стоянки для полной выгрузки топлива радиационная обстановка в КМПЦ определяется долгоживущим изотопом Со-60. По опыту зарубежных АЭС заблаговременное выведение накопленного Со-60 из первого контура достигается посредством совершенствования водно-химического режима (ВХР) на заключительном этапе эксплуатации энергоблоков за счет микро дозировки в теплоноситель очищенного от изотопа Zn-64 цинка. Производство данной изотопной продукции мирового уровня качества освоено предприятиями Росатома в 1990-х г., а в 2014 г. выпущены ТУ для возможности ее применения на российских АЭС.

4 Тезисы 3\3 Безопасность технологии обработки КМПЦ РБМК микродобавками цинка обоснована рядом исследований. АО «НИКИЭТ» располагает современной экспериментальной базой для исследования коррозионного поведения конструкционных материалов в условиях коррекционных ВХР. Для прогнозирования накопления Со-60 в КМПЦ при различных ВХР НИКИЭТ разработаны расчетная программа «РЕДУТ» и физико-химическая модель «ТРАКТ». Расчетное улучшение рад обстановки в помещениях КМПЦ за счет смыва Со-60 с поверхностей и его выведения фильтрами очистки теплоносителя после дозирования цинка сравнимо с эффективностью жестких дезактиваций, но без риска коррозионных повреждений и огромного количества ЖРО. Внедрение дозировки цинка будет способствовать принятой концепции ВЭ без длительного этапа консервации, а также значительному сокращению количества ЖРО.

5 ПРЕДПОСЫЛКИ Актуальность задач ВЭ для ЯЭУ Опыт зарубежных АЭС по дозированию цинка, особенно перед ВЭ (Барсебек, Фуген, Обрихайм и др.) Негативный опыт дезактивации КМПЦ при ВЭ энергоблока 1 Игналинской АЭС (2010 г.) Целесообразность отказа от «жестких» контурных химических дезактиваций Необходимость сокращения образования ЖРО при ВЭ Потенциальная возможность реализации концепции ВЭ без длительной консервации за счет заблаговременного выведения Со-60 с поверхностей КМПЦ

6 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время в России на Ленинградской (ЛАЭС), Курской (КАЭС) и Смоленской АЭС (САЭС) эксплуатируются 11 энергоблоков с кипящим канальным уран-графитовым реактором типа РБМК Для большинства из них 30-летний проектный срок эксплуатации продлен еще на 15 лет. За 5 лет до окончательного останова реакторной установки должны быть начаты работы по подготовке проекта по выводу энергоблока из эксплуатации. Рисунок иллюстрирует сроки предполагаемого окончания работы энергоблоков с учетом продления их срока службы до 45 лет.

7 Периоды работы блоков РБМК-1000 с учетом продлений сроков службы

8 Подготовка к ВЭ 1-2 ЛАЭС В рамках подготовки блоков 1-2 ЛАЭС к ВЭ АО «НИКИЭТ» разрабатывает Технологические регламенты по их эксплуатации на заключительных этапах без генерации после окончательных остановов. В рамках данной работы определены, в частности, - изменения конфигурации систем РУ, - требования к организации ВХР и химическому контролю технологических сред.

9 Традиционные технологии дезактивации оборудования и трубопроводов РБМК приводят к образованию большого количества ЖРО, переработка которых связана со значительными затратами. Большая часть выводимых долгоживущих радионуклидов инкорпорирована оксидной плёнкой на поверхностях ТВС и реакторного оборудования из коррозионно-стойкой стали. Для её растворения и смыва радионуклидов используется многостадийная обработка растворами кислот, щелочей и окислителей, отличающимися высокой коррозионной агрессивностью. Переработка, компактирование и захоронение ЖРО требует значительных затрат времени и средств, а также дорогостоящего оборудования. На основании опыта зарубежных АЭС, предлагается использовать альтернативный способ, позволяющий отказаться от химических дезактиваций с применением отмывочных композиций с высокими концентрациями коррозионно-агрессивных реагентов. В качестве данного метода предлагается на стадии подготовки энергоблока к выводу из эксплуатации заблаговременно проводить обработку КМПЦ посредством дозирования цинка в теплоноситель. Недостатки технологий дезактивации

10 В 1990 г. Россия приняла заказ на поставку большого количества цинка, обедненного по изотопу 64 Zn, и с тех пор количество энергоблоков применяющих данную технологию постоянно растет. Дозирование цинка способствовало решению ряда проблем АЭС с кипящими реакторами, включая подавление коррозионного растрескивания трубопроводов и реакторного оборудования, повышение надежности топлива, а также улучшение радиационной обстановки и сокращение доза затрат. В 1990 х годах на Электрохимическом заводе и ВНИИЭФ организовано промышленное производство обедненного цинка высокого качества. До настоящего времени по коммерческим соображениям весь производимый в России обедненный цинк экспортировался и успешно применялся на реакторах различного типа (PWR, BWR). Благодаря вводу новых мощностей производителями цинка подтверждена возможность поставки необходимого количества цинка высокого качества для российских АЭС. На основании оценок НИКИЭТ, ВНИИАЭС, ВНИПИЭТ и РНЦ КИ необходимо ~15-25 кг на энергоблок РБМК в год. Производство обедненного цинка

11 На подавляющем большинстве кипящих реакторов и части реакторов с водой под давлением 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 доза затрат. В совместных докладах НИКИЭТ, Курчатовского института, ВНИИАЭС на МНТК ОАО «Концерн Росэнергоатом» проанализирован 25 летний опыт дозирования цинка в теплоноситель реакторов типа BWR и PWR, а также даны рекомендации по применению дозирования цинка на российских АЭС. Выполненные НИКИЭТ расчетные оценки показывают, что при дозировании цинка в КМПЦ РБМК-1000 относительное снижение мощности дозы будет возрастать от 2 до 5 раз в зависимости от продолжительности дозирования. Опыт применения цинкового ВХР

12 При внедрении дозирования цинка в теплоноситель уже в начальный период наблюдается вынос в теплоноситель радиоактивных продуктов коррозии (РПК), вымываемых из поверхностных пленок, что сопровождается всплесками активности радионуклидов, в первую очередь, кобальта. При этом в течение первых нескольких недель дозируемый цинк в значительной степени поглощается оксидной пленкой. Прекращение всплесков и стабилизация активности РКП в теплоносителе на низком уровне соответствует завершению рассматриваемого процесса замещения нуклидов кобальта цинком. Продолжительность данного процесса зависит от количества дозируемого цинка, а также от исходной степени загрязненности поверхностей трубопроводов и оборудования. Согласно результатам исследований цинк замещает кобальт и ряд других шпинелеобразующих металлов в оксидной пленке за счет его уникальных термодинамических свойств. Механизм влияния цинка

13 В г. в рамках отраслевой программы «Повышение экологической безопасности АЭС с реакторами РБМК путем организации ВХР с дозированием цинка» рядом организаций (НИКИЭТ, ВНИПИЭТ, Курчатовским институтом) выполнен комплекс работ по отработки технологии дозирования цинка в теплоноситель РБМК На энергоблоке 3 Смоленской АЭС в 1996 г. испытан модельный узел дозирования цинка конструкции ВНИПИЭТ. Испытания подтвердили возможность реализации технологии дозирования цинка в РБМК На основании анализа результатов испытаний разработаны рекомендации по усовершенствованию применяемой за рубежом технологии дозирования цинка. В настоящее время ОАО «НИКИЭТ» совершенствует технологию дозирования цинка в теплоноситель российских АЭС с использованием тончайшего порошка окиси цинка высокой чистоты производства ПО «ЭХЗ». Разработка цинкового ВХР для РБМК

14 При ВЭ энергоблоков АЭС образуется огромное количество ЖРО, что обусловлено применением контурных и поузловых химических дезактиваций с использованием большого количества коррозионно- агрессивных реагентов. С целью достижения высокой эффективности химические дезактивации проводятся в несколько этапов, каждый из которых предусматривает заполнение контура или оборудования растворами. На энергоблоках РБМК проведение дезактивации КМПЦ приводит к образованию более 5-6 тысяч м 3 ЖРО, учитывая необходимость проведения водообмена после каждого этапа и проведения нескольких повторных циклов обработки. Как показал инцидент на Игналинской АЭС в октябре 2010 года, проведение дезактивации КМПЦ РБМК даже после окончательного останова реактора и выгрузки топлива может приводить к радиационным проблемам, которые практически исключаются при отсутствии проведения жестких химических дезактиваций КМПЦ. Дезактивация КМПЦ при ВЭ РБМК

15 По опыту ряда зарубежных АЭС, реализация технологии дозирования цинка перед ВЭ на завершающем этапе работы РБМК, не только обеспечит улучшение радиационной обстановки в помещениях реакторного оборудования, но и может существенно упростить подготовку энергоблока к демонтажу и утилизации за счет сокращения количества циклов дезактиваций. Основной вклад в общее количество образующихся жидких радиоактивных отходов на АЭС с РБМК дают дезактивации КМПЦ, для проведения которых требуется неоднократное заполнение полного объема контура (~1200 м 3 ). Улучшение радиационной обстановки за счет дозирования цинка в теплоноситель позволит сократить сроки до начала демонтажа, а также снизить доза затраты персонала в процессе демонтажа и утилизации оборудования и трубопроводов. Дезактивация КМПЦ при ВЭ РБМК

16 При определении необходимой продолжительности дозирования цинка перед окончательным остановом энергоблока должна быть проведена оценка исходного накопления РПК в КМПЦ. Вынесенные в поток теплоносителя ПК эффективно выводятся штатными системами очистки теплоносителя без каких либо дополнительных фильтров. Накопление РПК в системе очистки обеспечит их рациональную утилизацию за счет уменьшения суммарного объема отходов. Процесс замещения кобальта цинком в оксидных пленках на поверхностях может протекат при температурах ниже рабочих. Если энергоблок уже остановлен и топливо выгружено, то для реализации технологии потребуется разогрев и циркуляция воды с добавками цинка в теплоноситель в течение определенного времени (нагрев до 150ºС можно обеспечить работой ГЦН). При работе реактора на мощности во избежание генерации радионуклида 65 Zn целесообразно применять цинк, обедненный по изотопу 64 Zn. Использование дешевого цинка природного изотопного состава возможно при обработке после окончательного останова. Обработка КМПЦ цинком перед ВЭ РБМК

17 Для реализации предложения о дозировании цинка необходимо в рамках программы подготовки энергоблока к ВЭ выполнить расчетно-экспериментальное обоснование оптимального варианта технологии. На основании расчетного сравнения различных способов выбирается экономически наиболее приемлемый вариант. Продолжительность работы реактора с дозированием обедненного цинка на завершающем этапе эксплуатации до окончательного останова определяется расчетным путем исходя из экономической эффективности внедрения данной технологии, учитывая стоимость обедненного цинка. Соответствующие расчеты должны учитывать исходную загрязненность трубопроводов и оборудования энергоблока. Это позволит определить минимально необходимый период времени, в течение которого целесообразно дозировать обедненный цинк на действующем энергоблоке перед окончательным остановом. Обработка КМПЦ цинком перед ВЭ РБМК

18 Вари -ант Дозируемый цинк Продолжительность в период до останова и выгрузки топлива Период после окончательного останова и выгрузки топлива 1. Обедненный по изотопу 64 Zn от нескольких месяцев до 5 лет - 2. Сочетание Обедненный по изотопу 64 Zn от нескольких месяцев до 3-5 лет - Природный цинк - От нескольких недель до года 3. Природный цинк - От нескольких недель до года 4. Природный цинк от нескольких месяцев до 2-3 лет От нескольких недель до года Варианты дозирования цинка при ВЭ РБМК

19 Выбор наиболее предпочтительного варианта применения обедненного или природного цинка с оценкой необходимой продолжительности дозирования может быть выполнен на основе сравнительного анализа различных вариантов. По опыту ряда зарубежных энергоблоков этот период может составлять ~3-5 лет. Если при эксплуатации целесообразно дозировать обедненный цинк до концентрации ~10 мкг/дм 3, то после окончательного останова реактора и выгрузки топлива возможны более высокие концентрации природного цинка для сокращения продолжительности обработки. Целесообразно экспериментальное исследование кинетики процесса замещения цинком кобальта для уточнения температурного диапазона эффективного протекания процесса. Периодичность включения и продолжительность работы ГЦН для разогрева контура до температуры 120÷150°С, а также время для выведения радиоактивных продуктов штатными системами очистки теплоносителя рассчитываются для конкретного энергоблока. Обработка КМПЦ цинком перед ВЭ РБМК

20 Обзор исследований НИКИЭТ по отработке технологии дозирования цинка в теплоноситель РБМК

21 Приведены результаты анализа теплоносителя РБМК (ЛАЭС, ИАЭС) на содержание цинка. В воде ИАЭС цинк отсутствует. Содержание цинка в воде 1-4 блоков ЛАЭС не превышает 1 мкг/кг (дисперсная форма). Лабораторные исследования показали, что дозирование цинка на уровне 20 мкг/кг снижает скорости коррозии сталей марок 08Х18Н10Т и 20 примерно в 2 раза. Рассмотрены возможные методы дозирования цинка в контур РБМК. Показана принципиальная возможность создания электролизера для инжекции цинка. Простым и экономичным способом дозирования цинка в теплоноситель может быть растворение цинковых пластин. Для расчета влияния дозирования цинка на накопление продуктов коррозии в основном технологическом контуре РБМК разработана программа "РЕДУТ" модель «Тракт», позволяющая прогнозировать накопление радионуклидов в теплоносителе, паре и воде КПТ. «Определение влияния цинка на вынос продуктов коррозии реакторных материалов и выбор метода дозирования цинка»

22 «Поведение цинка в теплоносителе РБМК» В отчете представлен анализ литературных данных о поведении кислородных соединений цинка в воде и паре и их химических свойствах, о растворимости цинка при давлениях 71, 100 и 180 атм. Показано, что при высоких параметрах переход цинка в паровую фазу может быть осуществлен лишь в молекулярной форме и коэффициент распределения цинка при параметрах РБМК составляет 0,179. В результате лабораторных исследований были определены динамическая обменная емкость и средний коэффициент очистки фильтра смешанного действия, численные значения которых составили 1,05 мг-экв/л и 0,72 мг-экв/л,соответственно. В отчете приведены расчетные значения дозировок цинка в контур, составившие 4,3-5,7 г/ч для концентрации цинка в КМПЦ 5 мкг/кг, 8,7-11,5 г/ч для концентрации цинка в КМПЦ 10 мкг/кг и 22,5-29,2 г/ч для концентрации цинка в КМПЦ 20 мкг/кг.

23 «Расчет переходного процесса изменения активности Со на основании результатов коррозионных исследований» 1/3 НИКИЭТ проведены сравнительные коррозионные автоклавные коррозионные испытания в обессоленной воде как в отсутствии добавок цинка (менее 0,8 мкг/л), так и при введении цинка до концентраций ~5 и 20 мкг/л. Испытания выполнены с целью экспериментальной проверки влияния цинка в теплоносителе на коррозионное поведение хромоникелевой стали 08Х18Н10Т оборудования и трубопроводов КМПЦ или выполненных из неё наплавок. Исследования проводились в идентичных условиях параллельно в нескольких автоклавах с объемом рабочей камеры 1,5 л при температуре среды 285ºС. Методика проведения испытаний, включая количество загружаемых каждый автоклав образцов (20) и выбор экспозиций промежуточных выгрузок (300, 500 и 700 ч) определены для получения статистически значимых результатов гравиметрических измерений. Согласно результатам статистической обработки экспериментальных данных по программе «STATGRAPH» кинетика скорости общей коррозии стали 08Х18Н10Т подчинялась зависимости: Ln(K) = A + B*Ln (t), где: К, г/м 2*ч –скорость коррозии, А и В – коэффициенты регрессии; t – экспозиция, ч. Согласно результатам обработки данных по критерию Фишера коэффициент В уравнения незначимо отличается от 0,5. Коэффициент А=3,9 при отсутствии цинка и 2,84 при концентрации цинка 6-8 мкг/л, их дисперсии 0,19 и 0,28 соответственно.

24 «Расчет переходного процесса изменения активности Со на основании результатов коррозионных исследований» 2/3 Повышение концентрации цинка в исходной воде до 20 мкг/л не привело к значительному снижению скорости коррозии по отношению к соответствующим данным при его концентрации 6-8 мкг/л. Согласно результатам обработки данных исследований введение цинка в воду обеспечило снижение скорости коррозии стали 08Х18Н10Т в среднем в 3 раза с дисперсией 1,2. Экспериментально полученные данные о влиянии микро дозировки цинка на скорость общей коррозии стали 08Х18Н10Т использованы для расчетных оценок изменения активности кобальта. Для оценки уменьшения массы кобальта и активности 60Co в КМПЦ за счет уменьшении коррозии стали в КМПЦ и КПТ блока РБМК-1000 провели вариантные расчеты по модели «ТРАКТ-М»: 1 - скорости коррозии КМ соответствовали бесцинковому режиму ВХР; 2 – скорость коррозии стали в КМПЦ и КПТ снижена в 2 раза с начала эксплуатации АЭС; 3 – скорость коррозии стали в КМПЦ и КПТ снижена в 2 раза через 10 лет после начала эксплуатации АЭС; 4 – скорость коррозии нержавеющей стали в КМПЦ и КПТ снижена в 10 раз с начала эксплуатации АЭС; 5 – скорость коррозии нержавеющей стали в КМПЦ и КПТ снижена в 10 раз через 10 лет после начала эксплуатации АЭС.

25 «Расчет переходного процесса изменения активности Со на основании результатов коррозионных исследований» 3/3 Изменение скорости коррозии нержавеющей стали как с начала эксплуатации АЭС, так и после 10 лет работы, позволяет снизить содержание Со и активность 60Co в воде и в отложениях на поверхностях КМПЦ: - в 1,6 и 3 раза при снижении скорости коррозии в 2 и 10 раз; При уменьшении коррозии нержавеющей стали через 10 лет после начала эксплуатации АЭС происходит переходный процесс уменьшения содержания кобальта и активности 60Co во всех элементах КМПЦ с уровня, соответствующего обычной для АЭС с РБМК-1000 скорости коррозии на уровень, характерный для АЭС с пониженной скоростью коррозии с начала эксплуатации. Время переходного процесса - не более года. Оценка эффективности внедрения на АЭС с РБМК-1000 цинкового ВХР для улучшения радиационной обстановки в помещениях КМПЦ Внедрение цинкового ВХР позволяет снизить скорость коррозии нержавеющей стали ~ в 2-4 раза и уменьшить активность 60Co в отложениях КМПЦ ~ в 1,6-3 раза. Вынос РПК в теплоноситель пропорционален скорости коррозии КМ, а активность РПК (51Cr, 54Mn, 58Co, 59Fe и 60Со) в КМПЦ будет уменьшаться при снижении скорости коррозии стали. В результате этого активность РКП (кроме 95Zr) при внедрении цинкового ВХР может быть снижена ~ в 1,5-2,8 раза. Это позволит уменьшить радиационные поля в 1,3-2,3 раза.

26 ВЫВОДЫ Одним из важнейших критериев выбора и разработки оптимальных химических технологий при ВЭ энергоблоков АЭС является обеспечение радиационной безопасности, включая предупреждение коррозионных повреждений, минимизацию массопереноса ранее накопленных радиоактивных продуктов, сокращение количества ЖРО, а также минимизацию доза затрат персонала за счет улучшения рад обстановки. Предварительные оценки показали целесообразность использования дозирования цинка на завершающем этапе эксплуатации энергоблоков РБМК-1000 перед окончательным остановом. Затраты на ее внедрение будут существенно меньше расходов на мероприятия для ВЭ при использовании традиционных технологий химических дезактиваций. Согласно результатам коррозионных исследований при введении цинка снижается скорость коррозии нержавеющей стали до 4 раз. Расчеты динамики переходных процессов изменения массы кобальта и активности 60Co в КМПЦ, а также оценка эффективности внедрения цинкового ВХР показали возможность снижения мощности дозы у оборудования КМПЦ ~ в 1,5-2,8 раза.

27 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ Авторы выражают благодарность специалистам отдела Главного конструктора ЭКРУ АО «НИКИЭТ», Курчатовского института, ПО «ЭХЗ», АО «ТВЭЛ», ОАО «Концерн Росэнергоатом», включая Ленинградскую АЭС и ФРКП, АО «Атомпроект», АО «ВНИИАЭС», МИСиС и ООО «Функциональные наноматериалы»

28 ЛИТЕРАТУРА 1 Авария на Игналинской АЭС в Литве могла произойти из-за экономии на персонале. Информационное сообщение ИА REGNUM Перспективы применения цинка при подготовке энергоблоков с реактором РБМК к выводу из эксплуатации /А.А.Петров, С.В.Европин, В.А.Юрманов и др. Безопасность ядерных технологий и окружающей среды С Доклад обсуждался на МНТК-2012 и НТС по технологиям дезактиваций ( , ) ОАО «К онцерн Росэнергоатом», на 6 НТС «Атомэнергоаналитика»