Отложения на теплопередающих поверхностях , в частности на оболочке твэлов, приводят к уменьшению коэффициента передачи и вследствие этого к повышению температуры оболочек, что может вызвать выход твэла из строя. Образование отложений находится в прямой зависимости от выноса продуктов коррозии, т.е. от поступления в реакторы с питательной водой загрязняющих веществ.
Причиной образования отложений являются физико-химические процессы, протекающие вблизи теплопередающей поверхности, в результате которых образуются твердые частицы, способные отлагаться и удерживаться теплопередающей поверхностью.
Ниже рассмотрены процессы, приводящие к образованию отложений на твэлах, охлаждаемых водой под давлением.
Продукты коррозии, перешедшие в воду, находятся в растворенной и нерастворенной формах. Нерастворимые продукты коррозии, имеющие размеры частиц более 10 мкм, вероятнее всего, осядут в застойных зонах и зонах с пониженной скоростью циркуляции воды, например, деаэраторах.
Высокодисперсные продукты коррозии и вещества, находящиеся в растворенном и коллоидном состояниях, разносятся водой и отлагаются на поверхности основного контура циркуляции. Только небольшая часть продуктов коррозии (около 2 % общего количества) взвешена в циркуляционной воде. Около 40—50% в виде прочной пленки прилипает к поверхности металла и около 10—15% удаляется системой очистки циркуляционной воды.
Химический состав отложений определяется материалом как основного первого контура циркуляции, так и (даже в большей степени) конденсатно-питательного тракта. Основную массу отложений (более 70%) составляют окислы железа в виде Y-Fe2Оз, далее следуют окислы никеля и хрома. При наличии в конденсатном тракте большого количества деталей из медных сплавов в отложениях присутствует до 30 % окислов меди и до 20 % окиси цинка.
Изменение значения рН и содержания кислорода в воде оказывает существенное влияние и на коррозию конструкционных материалов, и на вынос продуктов коррозии. Логично было бы предположить подобное влияние этих факторов на скорость отложений. На практике же наблюдается иная картина; при рН = 7 и большом содержании кислорода (вода основного контура циркуляции реактора при нейтральном кислородном водном режиме) отложения малы. Они представляют собой рыхлый слой окислов железа, толщина плотно фиксированной пленки составляет около 0,3 мкм, теплопередача оболочки твэлов заметно не ухудшается, случаев их пережога не отмечено. При аммиачно-гидразинном водном режиме с высоким значением рН циркуляционной воды на твэлах образуются значительные отложения с низкой теплопроводностью, отмечались случаи пережога оболочек твэлов. Аналогичная картина наблюдается на ТЭС, где после перевода блоков с аммиачно-гидразинного на нейтральный кислородный режим скорость роста отложений на снизилась в 3-4 раза, уменьшилось и число случаев пережога котельных труб.
Очевидно лишь, что при нейтральном водном режиме продукты коррозии, содержащиеся в воде в виде окислов различной степени дисперсности, вместе с водой проходят через активную зону реактора, не прикипая к оболочкам твэлов. В дальнейшем частицы, по-видимому, соединяются друг с другом, укрупняются и оседают в застойных зонах.
При аммиачно-гидразинном водном режиме вследствие радиолиза аммиака в присутствии кислорода образуется азотная кислота с концентрацией до 1,5 мг/л. Это снижает значение рН при 300 °С примерно до 4,8. Кислота не нейтрализуется аммиаком, который при высокой температуре малодиссоциирован.
Гидроокись железа в момент выделения является накипеобразователем. Максимальное осаждение продуктов коррозии происходит в зоне кипения.
С одной стороны, большая скорость циркуляционной воды за счет высокой турбулентности потока увеличивает частоту столкновений частиц со стенками и между собой, что может способствовать коагуляции и отложению частиц. С другой стороны, более высокая скорость потока может оказать эрозионное воздействие на отложения. Из этого следует, что должна существовать такая скорость потока, при которой скорость отложения максимальна. В действительности отмечено, что отложения происходят главным образом в местах со скоростью движения теплоносителя около 5 – 6 м/с.
Увеличение теплового потока однозначно приводит к росту отложений. Это наиболее наглядно проявляется в виде заметного увеличения количества отложений на оболочках твэлов в центре активной зоны по сравнению с количеством отложений на периферийных участках, где ниже уровень энерговыделения.
Наблюдается аналогичная зависимость и от плотности потока тепловых нейтронов. Замечено, что количество отложений при облучении примерно в 2 раза больше, чем при тех же условиях, но без облучения.
Количество отложений зависит от материала, на котором откладываются продукты коррозии. Скорость отложения продуктов коррозии на сплавах циркония зависит также от свойств защитной пленки двуокиси циркония. При изменении цвета защитной плёнки с черного на светло-серый скорость отложения увеличивается более чем в 3 раза.
В реакторах, использующих мягкое регулирование растворами борной кислоты, изменение скорости потока циркуляционной воды в диапазоне 2-6 м/с не влияет на скорость отложения. Продукты коррозии отлагаются преимущественно на нержавеющей стали, однако в условиях нормальной работы реактора, когда концентрация продуктов коррозии в воде первого контура мала, отложения на сплавах циркония (оболочки твэлов) и нержавеющей стали примерно одинаковы и малы по абсолютному значению.
Скорость отложения продуктов коррозии зависит от многих причин, но в значительной мере определяется их концентрацией в воде, скоростью вывода их из контура и коррозией конструкционных материалов самого контура. Снижение содержания продуктов коррозии в теплоносителе в начальный период может быть достигнуто проведением тщательных водных отмывок основных контуров перед пуском блока. Меры предотвращения отложения продуктов коррозии в первом контуре блока с реактором типа ВВЭР могут включать в себя:
- заполнение контура деаэрированной водой с добавлением гидразина;
- повышение рН циркуляционной воды добавлением аммиака;
- поддержание оптимального водного режима в процессе эксплуатации, в том числе подавление радиолиза;
- консервацию оборудования в период стоянки реактора;
- непрерывное удаление продуктов коррозии из циркуляционной воды на внутриконтурной очистке.