Спосіб виявлення малих протічок води

Спосіб виявлення малих протічок води з першого контуру водоводяного енергетичного реактора (Р) у герметичні приміщення (ГП) Р, при якому вимірюють за допомогою датчиків концентрацію радіоактивних інертних газів та йоду в ГП і вентиляційній трубі Р, характеристики парогазового середовища (ПГС) в ГП і при збігу напрямку зміни результатів цих вимірювань у бік їх погіршення, з перевищенням встановлених граничних значень, роблять висновок про існування малої протічки, який відрізняється тим, що для характеристики стану ПГС в ГП вимірюють нормовану на величину діючої потужності Р концентрацію напрацьованих важких аероіонів радіолітичного походження безпосередньо біля місць можливого виникнення протічок у ГП. Винахід має відношення до вимірювальної техніки і може бути використаний для вияву локальної аварії - малої протічки води з першого контуру ядерного водоводяного енергетичного реактора (Р). Метою вияву такої протічки є запобігання на початковій стадії можливого подальшого розвитку цієї аварії у більш небезпечну. З точки зору небезпеки розвитку аварії важливо мати відомості не стільки про існування самої протічки, скільки про її здатність розвиватися за рахунок створюваних при роботі Р термічних та радіаційних навантажень на відповідні конструкційні елементи. Тому діагностика протічки обов'язково повинна провадитись на працюючому обладнанні. Поява малої протічки води з першого контуру Р в певне герметичне приміщення (ГП) призводить до того, що в його парогазове середовище (ПГС) починає виливатися під підвищеним тиском забруднена радіонуклідами дуже гаряча вода з першого контуру охолодження Р, яка перетворюючись на пару змінює ряд характеристик цього ПГС і створює його радіоактивне забруднення. Як правило, стан ПГС в ГП працюючих Р контролюють шляхом виміру таких характеристик, як вологість повітря, його температура і тиск [дивись, наприклад: А. М. Бахметьев, О. Б. Самойлов, Г. Б. Усынин. Методы оценки и обеспечения безопасности атомных энергетических установок. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 187с.]. При відсутності протічок, через певний час після стабілізації роботи Р на встановленому рівні потужності, настає стабільність цих характеристик. За існуючих у ГП Р умов поява малої протічки призводить до взаємно пов'язаних зростання вологості, температури і тиску ПГС у ньому. Тому ступінь герметичності стану першого контуру Р відносно появи малої протічки води в ГП характеризують відповідним дозволеним сукупним набором максимальних величин зазначених параметрів. Так, у випадку прототипу - способу виявлення малих протічок води з першого контуру Р типу ВВЕР - 1000, у режимі нормальної експлуатації Р верхні граничні значення зазначених параметрів ПГС у ГП становлять відповідно: тиск -0,097МПа, температура - 90°С, відносна вологість - 90%. Тільки за умов одночасного перевищення цих зна (19) UA (11) 86160 (13) C2 (21) a200712665 (22) 15.11.2007 (24) 25.03.2009 (46) 25.03.2009, Бюл.№ 6, 2009 р. (72) КЛЮЧНИКОВ ОЛЕКСАНДР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, UA, МЕЛЕНЕВСЬКИЙ ОЛЕКСАНДР ЕДУАРДОВИЧ, UA, УШАКОВ ІГОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, UA, БАДОВСЬКИЙ ВОЛОДИМИР ПЕТРОВИЧ, UA, ГОЛИШКІН ВСЕВОЛОД ЙОСИПОВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, UA (56) UA 27474, 25.10.2007 SU 1151102, 23.01.1992 SU 1175279, 20.08.1999 RU 2092803, 10.10.1997 US 5301538, 12.04.1994 WO 9737205, 09.10.1997 EP 0692706, 17.01.1996 3 чень разом з перевищенням виміряних концентрацій радіоактивних інертних газів та йоду у ГП і вентиляційній трубі Р приймають рішення про існування малої протічки води з першого контуру ВВЕР 1000 у певне ГП. Подальша робота Р у режимі малої протічки дозволяється при включених системах робочого і аварійного підживлення водою першого контуру протягом не більше 15 годин за умови не перевищення в аварійному ГП тиску 0,167МПа [дивись, наприклад: В. А. Герлига, В. В. Полтавченко, В. И. Скалозубов. Основи безпеки АЕС з водяними реакторами. - К.: 1995. - 162 а]. Недоліком розглянутого способу виявлення малих протічок води з першого контуру Р в ГП Р є його мала чутливість. Самі по собі датчики для виміру концентрації радіоактивних інертних газів та йоду в ГП і вентиляційній трубі Р є достатньо чутливими. Тому, хоча підвищена присутність відповідних радіонуклідів, що з дуже гарячою водою з першого контуру потрапляють у ПГС аварійного ГП на початкових стадіях виникнення малої протічки, буде зареєстрована цими датчиками, самі порівняно малі маси гарячої води, що в ПГС аварійного ГП перетворюються на пару, не здатні за малий час значно змінити вимірювані в прототипі параметри ПГС аварійного ГП. Більше того, процес підвищення температури ПГС на початковій стадії може супроводжуватись навіть деяким зменшенням відносної вологості у ньому. Таким чином, отримана на початковій стадії виникнення малої протічки інформація у випадку прототипу не буде відповідати закладеному алгоритму її виявлення і цей алгоритм зможе бути виконаний тільки через певний час, після потрапляння в аварійне ГП значно більшої кількості води. Запізнення з виявом початкової стадії виникнення малої протічки не дає можливості провести на цій стадії активний пошук можливих причин її, розробити можливі рецепти їх усунення та скорочує час підготовки до непланової зупинки Р у разі її потреби. Технічною задачею, на вирішення якої спрямований запропонований винахід, є створення способу виявлення малих протічок води з першого контуру Р в ГП з підвищеною чутливістю і експресністю. У запропонованому способі можливість підвищення чутливості і експресності вияву змін у стані ПГС аварійного ГП досягають завдяки тому, що замість реєстрації таких усереднених по всьому об’єму аварійного ГП характеристик його ПГС як вологість, температура і тиск, виявляють локальне підвищення нормованої на діючу потужність Р концентрації важких аероіонів радіолітичного походження, яка безпосередньо пов'язана з кількістю молекул дуже гарячої води, що надійде у ГП через малу протічку. Відомо [дивись, наприклад, В. В. Смирное, А. В. Савченко Влияние ионизирующего излучения на образование наночастиц в атмосфере // Химия в интересах устойчивого развития. - 2005. - Т.13. С.649-654], що під дією іонізуючого випромінювання в повітряному середовищі (в тому числі і в ГП Р), серед інших, виникають молекулярні іони N2+ і О2-. Концентрація їх пропорційна інтенсивності 86160 4 іонізуючого опромінення (а якщо джерелом опромінення є Р, то - рівню його діючої потужності). Більшість молекулярних іонів за короткий час після утворення рекомбінує, але ті з них, що знаходилися безпосередньо в оточенні молекул водяного пару, можуть перетворитися на комплексні іони, в яких зазначені молекули води розташовуються навколо відповідного молекулярного іона, заповнюючи у більшому або меншому ступені однорядний шар навкруг нього і стають вже зорієнтованими. У процесі подальшого перебування в опромінюваному повітряному середовищі, за рахунок присутності у ньому ряду інших продуктів радіолізу, має місце явище «старіння» комплексних іонів із формуванням на їх основі нейтральних іонних асоціатів (кластерів). Найбільш поширеними з них є: NO3- (Н2О)n Н3О+ та NO3- HNO3Н3О+(Н2О)m. Подальша коагуляція іонних асоціатів один з одним призводить до утворення аерозольних часток радіолітичного походження, а приєднання до цих часток «старих» комплексних іонів, або безпосередня іонізація одного з атомів їх складу призводять до виникнення важких аероіонів радіолітичного походження. Завдяки тому, що основною компонентою важких аероіонів є розчин азотної кислоти, вони характеризуються достатньо сильними міжатомними зв'язками і час існування їх складає десятки хвилин. Таким чином, у ПГС ГП працюючого Р завжди існує певна рівноважна концентрація важких аероіонів радіолітичного походження. Суттєво, що середнє число молекул води у складі кластерів (і, відповідно, важких аероіонів) майже не залежить від питомої концентрації молекул води у повітрі приміщення, в якому вони формуються. Тому при завжди існуючій в ПГС ГП працюючого Р надлишковій концентрації молекулярних іонів N2+ чи О2- збільшення питомої концентрації молекул води в ПГС за рахунок їх надходження через малу протічку буде призводити до збільшення нормованої на діючу потужність Р концентрації важких аероіонів радіолітичного походження [дивись, наприклад: В. В. Смирнов. Ионизация в тропосфере. - С-Пб.: Гидрометиздат, 1992. - 214с.]. Принципово новий ефект у підвищенні чутливості запропонованого способу виявлення малих протічок пов'язаний з особливостями у поведінці води, що виривається під високим тиском із аварійної тріщини на ділянці першого контуру охолодження Р (у випадку ВВЕР 1000 цей тиск може сягати 16МРа). Відомо [дивись, наприклад, А. В. Козырев, А. Г. Ситников. Испарение сферической капли в газе среднего давления //Успехи физических наук. 2001. - Т. 171, №7. - С.765-774.], що об'єм дуже гарячої води виходячи під високим тиском з малого отвору в атмосферу адіабатично розширюється, охолоджуючись при цьому і перетворюється в аерозольні частки субмікронних розмірів, які надалі розпадаються на велику кількість значно менших часток.. Останні, поступово випаровуючи з поверхні окремі молекули води, здатні у вигляді невеликих груп молекул існувати достатньо довго. Тому в 5 86160 ПГС ГП Р неподалік від аварійної тріщини в матеріалі трубопроводу першого контуру виникає значна концентрація груп молекул води. Ці групи молекул здатні створювати з молекулярними іонами N2+ чи О2- (що при дії радіації існують неподалік у просторі), комплексні іони (а значить і важкі аероіони радіолітичного походження) з більшою імовірністю, ніж набір окремих молекул води при тій же об'ємній концентрації. У запропонованому способі вимірюють концентрацію важких аероіонів радіолітичного походження в попередньо встановлених потенційно небезпечних з точки зору можливості виникнення тріщин місцях трубопроводу першого контуру. У цьому випадку інформація про виникнення важких аероіонів радіолітичного походження буде отримана раніше, ніж у випадку, коли молекули води, утворені з пари цієї протічки, призведуть до таких змін вологості, температури та тиску в ПГС аварійного ГП Р, які стануть достатніми для їх реєстрації в довільному місці аварійного ГП. Достовірність ранньої ідентифікації протічки пов'язується з тим фактом, що підвищена концентрація груп молекул водяної пари в ПГС ГП діючого Р, яка призводить до підвищеного рівня вимірюваної нормованої концентрації важких аероіонів радіолітичного походження, може виникнути тільки за умов появи в аварійному ГП протічки з першого контуру охолодження. Запропонований спосіб перевірено у випробуваннях на спеціально створеному в ІПБ АЕС НАН України термоізольованому стенді, схематично зображеному на кресленні 1. Вертикально встановлений заповнений водою герметичний циліндр 1 нагрівався нагрівачем 2. У нижній частиш циліндра розташоване сопло 3, 6 через яке при досягненні за рахунок нагріву в об'ємі циліндра надлишкового тиску вибризкував струмінь гарячої води. Вимірювання проведені при трьох значеннях величини надлишкового тиску 0; 0,3 та 0,66МПа з питомими витратами води через сопло 0; 0,31 та 0,61г/с, відповідно. Адіабатично розширюючись у повітрі вода перетворювалася на водяний аерозоль. Частинки його втягувалися в організований в стендовому приміщенні за рахунок припливної вентиляції 4 направлений потік повітря з поперечним перерізом 1м2 і довжиною біля 3м. В якості припливного використовувалося кондиційоване повітря з температурою 60°С та відносною вологістю 10%. Питомі витрати повітря становили, відповідно, 0; 3,3 та 6,4 літрів/с. Вимірювання концентрації аероіонів провадили лічильником 5 типу «Сапфір 3М» виробництва НПФ Янтарь (м. Казань, Росія). Досліджуване повітря з направленого потоку поступало до пробовідбірника лічильника через іонізатор з фільтром тонкої очистки на вході - 6. Іонізатор вмішував на внутрішніх сторонах прямокутної шахти площею 40см2 і довжиною 10см вісім джерел ізотопу 239Рu з сумарною радіоактивністю 1,6*107Бк., що забезпечувало утворення в об'ємі шахти питомої іонізації повітря у 2,5*1010 іонів/см3 *с. Швидкість прокачування повітря через пробовідбірник становила 3,5дм3/с. Протягом вимірювань у внутрішньому об'ємі стенду за допомогою нагрівача - зволожувача 7 підтримувалася температура повітря 60°С та відносна вологість 80%. Вимірювання проводилися при атмосферному тиску. Результати вимірювань концентрації аероіонів на відстанях 0,6; 1,2 та 2,4м від сопла 3 при трьох зазначених питомих витратах води через сопло представлені у таблиці 1. Таблиця 1 Залежність концентрації негативних аероіонів від відстані (м) до місця вприску води та її питомої витрати Питомі витрати води, г/с 0 0,31 0,6 Концентрація негативних аеронів *103/дм3 0,6м 1,2м 7,4±0,8 6,9±0,8 14,0±1,4 10,1±1,2 22,8±2,2 12,3±1,3 З таблиці 1 видно, що при встановлених в умовах стенду навіть незмінних значеннях температури 60°С, вологості 80% та атмосферному тиску, запропонованим способом може бути достовірно зареєстрована на відстані аж до дещо більшої, ніж 1,2м, протічка з питомою витратою води на 2,4м 7,2±0,8 8,3±0,9 10,7±1,1 рівні 0,31г/с, а протічка 0,61г/с - на відстані аж до дещо більшої ніж 2,4м. Таким чином, запропонований спосіб є новим, має рівень винахідництва і може знайти промислове застосування, тобто винахід відповідає необхідним умовам патентоздатності. 7 Комп’ютерна верстка В. Клюкін 86160 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601