Из-за коррозии конструкционных материалов в основных контурах водоохлаждаемых возникла проблема, не встречавшаяся ранее в тепловой энергетике. Продукты коррозии, отложившиеся в активной зоне реактора, активируются в нейтронном поле. При последующем выносе радиоактивных продуктов коррозии и распространении их по контуру циркуляции появляются источники радиоактивного излучения за пределами активной зоны, действие которых не прекращается и после остановки реактора.
Во время работы реактора основным источником активности вне активной зоны являются короткоживущие радионуклиды, образующиеся за счет активации как самой воды, так и всех примесей, циркулирующих вместе с водой через активную зону. Кроме того, источником активности могут быть продукты деления урана, в частности радиоактивные благородные газы и йод, которые поступают в воду в основном через дефекты в оболочке твэла, а также продукты деления топлива, загрязняющего внешнюю поверхность твэлов при их изготовлении.
Собственная активность теплоносителя после остановки реактора быстро падает, количество продуктов деления в контуре может удерживаться на заданном уровне за счет строгого контроля герметичности оболочек твэлов, активность же продуктов коррозии увеличивается по мере длительности работы реактора, так как загрязнение контура продуктами коррозии неизбежно.
Радиационная обстановка на оборудовании основного контура циркуляции после остановки реактора в основном (на 90%) обусловлена наличием Со-60. Для того чтобы радионуклид оказался на стенке контура вне активной зоны, он должен:
- в результате коррозии перейти с поверхности металла в теплоноситель;
- вместе с теплоносителем попасть в активную зону реактора, отложиться в ней и провзаимодействовать с нейтроном;
- перейти в теплоноситель и с его помощью перенестись к участку контура вне активной зоны;
- отложиться на поверхности контура.
Опыт эксплуатации АЭС показывает, что в контуре циркуляции водоохлаждаемых реакторов происходит постоянная миграция активных продуктов коррозии, присутствующих в теплоносителе в растворенной, коллоидной и взвешенной формах. Переход продуктов коррозии в циркуляционную воду происходит в результате отслаивания коррозионной пленки или смыва продуктов коррозии при изменении теплового и гидравлического режимов, в частности при пуске и остановке реактора, за счет растворения продуктов коррозии в теплоносителе, при переходе ядер отдачи, например при реакции 58Ni(n, p) 58Со и 54Fe(n, p) 54Mn с поверхности активной зоны в воду или в процессе обмена радионуклидами между теплоносителем и коррозионной пленкой.
Отложение продуктов коррозии на поверхности контура вне активной зоны может происходить в результате:
- механического оседания крупнодисперсных частиц в застойных зонах с пониженной скоростью циркуляции;
- адгезии частиц к поверхности контура;
- адсорбции продуктов коррозии поверхностью контура;
- образования кристаллов при повышении концентрации растворимых продуктов коррозии;
- коагуляции продуктов коррозии в потоке теплоносителя и их последующего осаждения.
Механическое отстаивание крупнодисперсных частиц в застойных зонах приводит к образованию локальных скоплений шлама («ловушки шлама») с высокой активностью.
Адгезия (прилипание) — типичный процесс взаимодействия взвешенных частиц продуктов коррозии с поверхностью контура, обусловленный действием молекулярных сил притяжения. Прилипать к поверхности контура способны микрочастицы, у которых силы притяжения больше их собственного веса. Помимо сил притяжения на частицы действуют противоположные по направлению силы, которые увеличиваются с ростом размера частиц и скорости воды. Мелкие частицы, прилипшие к поверхности контура, способны срастаться между собой, превращаясь в частицы большого размера, которые при некоторой скорости воды отрываются и уносятся. Таким образом, процесс адгезии носит динамический характер.
Хотя продукты коррозии конструкционных материалов обладают очень малой растворимостью в воде, их перенос в растворенной форме играет важную роль в распространении и накоплении радиоактивности в контуре. Растворенные примеси могут адсорбироваться поверхностью контура, при этом они стремятся занять всю площадь контура. Одновременно с адсорбцией протекает обратный процесс — десорбция, интенсивность которой увеличивается с ростом отложений. Таким образом, спустя некоторое время, наступает динамическое равновесие.
Адсорбция ионов значительно зависит от рН среды. Практически для каждого иона существует область значений рН, выше и ниже которой адсорбция снижается.
Ионы Се3+, Сr3+, Ru3+ наиболее полно адсорбируются на нержавеющей стали в нейтральной среде (рН = 6-7), в то время как ионы Со2+, Zn2+, Cs+ — в щелочной (рН>8). Адсорбция кобальта на окисных пленках увеличивается с увеличением температуры. Аналогично ведут себя железо и никель.
Так как система внутриконтурной очистки удаляет только небольшую часть поступающих в контур продуктов коррозии, возникающий вследствие упаривания избыток растворенных веществ переходит в твердое состояние путем образования частиц в толще воды.
Продукты коррозии в теплоносителе образуют высокодисперсные частицы, по своим размерам относящиеся к коллоидным. Поверхности частиц приобретают заряд благодаря адсорбции ионов из теплоносителя. В кислой среде, когда концентрация ионов Н+ больше, чем ионов ОН-, на поверхности частиц образуются преимущественно положительно заряженные ионы Fе2+, в щелочной среде, наоборот, отрицательно заряженные ионы FеО2-.
Таким образом, частицы могут менять свой заряд в зависимости от рН воды. Существует, очевидно, значение рН, при котором заряд частицы равен нулю. Для окислов железа такое условие выполняется в диапазоне рН = 6-8, для меди при рН9,5, для никеля и кобальта при рН=10-12. Снижение заряда способствует коагуляции частиц, т. е. объединению их в более крупные агрегаты, способные осаждаться на поверхности контура.
Таким образом, осаждение активных и неактивных продуктов коррозии железа за счет коагуляции коллоидов наиболее полно происходит при рН 7, т. е. при нейтральном водном режиме, в то время как осаждение продуктов коррозии меди, никеля и кобальта — при повышенном рН, т. е. при аммиачно-гидразинном режиме.
Существенную роль в образовании радиоактивных отложений вне активной зоны реактора играют переходные режимы, т. е. пуски и остановки основного оборудования блока, подъем и снижение нагрузки. Концентрация продуктов коррозии в циркуляционной воде при переходных режимах возрастает до 2-3 мг/л, причем рост концентрации происходит пикообразно, пики в основном совпадают по времени с пуском и остановкой главного циркуляционного насоса и изменением расхода циркуляционной воды.
В качестве мероприятий, снижающих радиоактивное загрязнение оборудования основного контура циркуляции теплоносителя вне активной зоны, в практике эксплуатации АЭС применяются выбор и поддержание рационального водного режима и интенсивный вывод из контура радиоактивных отложений.