Нанотехнологии обработки теплоносителей отечественных АЭС цинком изотопной чистоты

Наиболее значимым усовершенствованием химической технологии на атомных

электростанциях (АЭС) мира различного типа является внедрение технологии дозирования

цинка. Дозирование цинка в водный теплоноситель обеспечило не только значительное

снижение радиационных полей, но также снижение интенсивности коррозионных процессов и повышение надежности работы ядерного топлива.

Отличительной особенностью данной технологии являются крайне малые добавки

изотопно-очищенного препарата цинка в водный теплоноситель ядерных реакторов на уровне нанодолей (~5×10-9 или 5 нг цинка на 1 г теплоносителя). Это, по крайней мере, в тысячу раз ниже обычно используемых химических добавок, включая борную кислоту, гидроокиси калия или лития, а также аммиак, гидразингидрат или растворенный водород. Сравнительно большое количество вышеуказанных химических добавок требуется для изменения свойств водного теплоносителя, включая смещение кислотно-щелочного равновесия или окислительно-восстановительного состояния. Совершенно отличен механизм воздействия цинка. Столь высокая эффективность нанодобавок цинка обусловлена его уникальным свойством к замещению кобальта в составе оксидных пленках на поверхностях первого контура АЭС, которые обуславливают формирование радиационной обстановки. Потенциально каждый атом цинка термодинамически способен к необратимому замещению атома кобальта в кристаллической решетке смешанной шпинели, поэтому количество дозируемого цинка должно быть соизмеримо с количеством кобальта в отложениях и теплоносителе. За счет исключения применения кобальтовых сплавов и сокращения примеси кобальта в используемых конструкционных материалах количество кобальта в первом контуре современных ядерных реакторов не превышает нескольких граммов. Однако за счет чрезвычайной радиационной опасности (жесткое γ-излучение, сравнительно большая продолжительность жизни изотопа Со-60) именно радиокобальт обуславливает доминирующий вклад в радиационные поля при ремонтных стоянках, в облучаемость персонала, а также радиоактивность отходов. Удельная активность кобальта при его облучении в ядерных реакторах может достигать порядка 100 Ки/г.

Для того, чтобы замещение кобальта на цинк не приводило к генерации радиоактивного изотопа 65Zn, в водный теплоноситель ядерных реакторов дозируется цинк, предварительно обедненный по изотопу 64Zn (как правило, до менее 1% по сравнению с его содержанием в природной смеси изотопов цинка ~48%).

Внедрение технологии способствовало повышению эффективности топливоиспользования за счет снижения роста отложений на топливных оболочках при повышении глубины выгорания и продолжительности кампаний, кроме того, достигнуто сокращение количества отходов за счет уменьшения количества химических дезактиваций.

Использование дозирования цинка перед снятием старых энергоблоков с эксплуатации

обеспечило значительное сокращение коллективных дозовых затрат и отсутствие

необходимости проведения контурных химических дезактиваций, которые приводили к

образованию большого количества радиоактивных отходов.

Дозирование цинка в теплоноситель на мощных западных реакторах РWR с высокой

глубиной выгорания топлива и продолжительностью топливных кампаний 18-24 месяца

обеспечило не только улучшение радиационной обстановки и снижения облучаемости

персонала, но и решение проблемы аномалий офсета активной зоны благодаря снижению роста отложений на топливных оболочках.

Дозирование цинка в теплоноситель с начала эксплуатации энергоблока РWR Ангра-2

(Бразилия) обеспечило крайне низкие уровни коррозии и радиационных полей при эксплуатации.

Опыт зарубежных АЭС, а также результаты исследований в условиях АЭС с ВВЭР и РБМК показывают целесообразность внедрения дозирования цинка на отечественных АЭС с целью:

- снижения мощности дозы излучения и сокращения дозозатрат;

- уменьшения накопления радиоактивных отходов;

- увеличения сроков службы за счет минимизации коррозии;

- повышения надежности работы топлива при совершенствовании топливных циклов;

- повышения конкурентоспособности новых отечественных проектов АЭС.

Внедрение дозирования цинка в новых отечественных проектах АЭС должно

способствовать повышению их эффективности, экономичности, безопасности и

конкурентоспособности за счет для снижения коллективных дозозатрат, уменьшения

количества отходов, сокращения продолжительности ремонтных стоянок и др.