גישה חדשנית לשליטה בכימיה של צמחים גרעיניים

תחנות כוח גרעיניות מסתמכות רבות על בקרת הכימיה במים על מנת להבטיח ניתוח בטוח ויעיל.שיטות מסורתיות כרוכות בשמירת איזון כימי ספציפי למניעת קורוזיה ומבנה רדיואקטיבי.עם זאת, חידושים אחרונים משנים את האופן שבו הכימיה של מים מנוהלת במתקנים אלה.עם דחיפה גלובלית לאנרגיה נקייה ולהרחיב את חיי הכורים הקיימים, האבולוציה של בקרת המים הפכה לאזור קריטי של מחקר ובדיקה זו הן שיטות פעולה גרעיניות.

התפקיד הקריטי של הכימיה במים ב-Reactors

מים בכור גרעיני אינם רק מגניב; זהו המדיום העיקרי שבאמצעותו החום מועבר ממרכז הדלק לטורבינה הקיטור. בו זמנית, המים חשופים לקרינת נויטרונים אינטנסיבית, טמפרטורות גבוהות, ולחץ גבוה, יצירת סביבה אגרסיבית ייחודית.כימיה של מים אלה חייבת להיות נשלטת בחוזקה כדי למנוע קורוזיה של חומרים מבניים, למזער את הצטברות של מוצרי קורוזיה רדיואקטיביים (acting) והימנעות של מוצרי חום).

קורוזיה היא בעיה חמורה במיוחד משום שהיא יכולה להחליש את רכיבי הגבול כגון piping, גנרטורים קיטור, וכלי שיט הכור הפנימיות.אפילו מצעים קטנים או סדק יכול להוביל לדלפות או, במקרים קיצוניים, כשל קטסטרופלי.בנוסף, קורוזי משחררת תות מתכת לתוך המים, אשר מופעלת בשפעת הרחם ולתרום לשדות קרינה כי להגדיל את הפעילות במהלך תחזוקה יעילה.

פרמטרים מרכזיים בשליטה בכימיה במים

המפעילים עוקבים אחר חבילת פרמטרים כימיים ברציפות.החשוב ביותר כולל:

• (FLT:0)pHoriFLT:1 ; pH משפיע על הסוללה של מוצרי קורוזיה ואת התואר של קורוזיה של פלדה פחמן סגסוגת אחרים. in pressurized Water כורים (PWRs), pH נשלט בדרך כלל עם ליתיום hydroxide (LiOH) או סוכנים אלקליים אחרים.
• (ב) ⁇ :0) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0Dissolved חמצןFLT:1) - חמצן מקדם תנאים חמצון שמובילים ללחץ קריקט קורוזיה (SCC) בחומרים רגישים כגון נירוסטה פלדה וסגסוגת המבוססת ניקל.
• (בקיצור:0)Digated מימןFLT:1 - ב PWRs, מימן נוסף לחמצן של קריסה ולשמור על כימיה מופחתת המדכאת את קורוזיה של Alloy 600 וחומרים אחרים.
• (FLT:0) ריכוז בורון FLT:1 - חומצה בוראית פועלת כמגלוט נויטרונים מלוטש עבור שליטה תגובתית.ריכוזה משתנה במהלך מחזור הדלק, אשר בתורו משפיע על pH ואת הסולילות של מוצרי קורוזיה.
• (ב) ⁇ 0, hydrazine, ותוספים אחרים (FLT:1) - כימיקלים אלה משמשים בכמויות קטנות כדי להפחית עוד יותר את קורוזיה ואת מגמת קובלט רדיואקטיבי.

איזון הפרמטרים האלה תוך שימת דגש על הממשק המורכב של הטמפרטורה, זרימת וקרינה דורש הן הנדסה חזקה ומפעיל מתמשך vigilance.

שיטות בקרה מסורתיות על מים

במשך עשרות שנים, צמחי גרעין התבססו על מערך מבוסס היטב של תוספים כימיים וטכניקות ניטור. שיטות אלה התפתחו מלקחים שנלמדו במהלך פעולות כור מוקדם וממחקר חומרים נרחב.

בקרת PHV

חומצה בוראית שימשה מאז שחר של כוח גרעיני מסחרי כמו רעל ניטרון כימי כל כךלולי. ריכוז בורון חייב להיות מגוון במהלך מחזור הדלק כדי לפצות על שריפת דלק ולשמור על שולי כור הסגורה.עם זאת, כמו גם שינויים ריכוז בורון, pH קריר משמר גם כן.כדי לשמור על pH בטווח האופטימלי עבור צמצום קורוזיה (בדרך כלל 6.9-WR7.4) הוא ניתוח לימטרה פועל לעתים קרובות.

זריקת ZEE

Zinc נוסף למקרר בריכוזים נמוכים מאוד (בדרך כלל כמה חלקים ל מיליארד) כי הוא להתחרות עם cobalt רדיואקטיבית-60 ו- cobalt-58 עבור שילוב של סרטי תחמוצת שנוצרו על פני השטח של נירוסטה.על ידי פירוק קובלט, זריקת אבץ יכולה להפחית באופן משמעותי את שדות הקרינה של הליבה, הורדת שיעורי המינון.

הידרוזין וחמצן Scavenging

בשני מערכות PWRs ומערכות משניות, hydrazine (N2H4) משמש בדרך כלל להסרת חמצן מומס.זה מגיב עם חמצן כדי ליצור חנקן ומים, ובכך למנוע קורוזיה חמצון. hydrozine גם עוזר לעבור משטח מתכת עוברי. עם זאת, hydrazine decomposes בטמפרטורות גבוהות, יצירת אמוניה, אשר יכול להשפיע על pH וליצור corrosscorrosscorrosscorross קירור בסדקים כראוי אם לא מאוזנתיקים.

הגבלות של גישות מסורתיות

למרות עשרות שנים של זיכוך, שיטות בקרה מסורתיות של הכימיה במים סובלות ממספר מגבלות:

• (FLT:0) קבלת משוב בזמן אמת 1 (FLT:1) - מדידות אנליטיות רבות דורשות דגימות לתפוס וניתוח מעבדה, הצגת שקיפות של שעות עד ימים.
• (FLT:0)Imprecise dosingFIRLT:1) - הזריקה כימית מבוססת בדרך כלל על התאמות ידניות תקופתיות או לוחות זמנים מוקדמים, לא על ביקוש דינמי מתמשך.
• (FLT:0) חששות בטיחותיים ובטיחותיות: 1) – הידרוזין, למשל, הוא רעיל וסרטן, הדורש פרוטוקולים טיפול והגבלות מחמירים.
• (ב) [ה]:0] קורוזיון הקורטוסטיבה 1 [ה] – גם עם כימיה אופטימלית, קורוזיה מקומית יכולה להתחיל תחת פיקדונות או בסדקים שבהם מדידות כימיה גדולות אינן משקפות תנאים מקומיים.
• (ה)העלויות הגבוהות של LT:1) - הצורך בחידוש כימי תכוף, טיפול בפסולת ועבודה עבור דגימה מוסיף הוצאות תפעוליות.

מגבלות אלה הניעו את תעשיית הגרעין לחפש פתרונות חכמים, מדויקים ויעילים יותר.

חידושים ב- Water Chemistry Monitoring and control

ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיית חיישן, ניתוח נתונים, אוטומציה ומדע חומרים מתאמת ליצירת פרדיגמה חדשה לכימיה של צמחי גרעיני.החידושים האלה מבטיחים לשפר את הבטיחות, להפחית את טביעת הרגל הסביבתית, ועלויות התפעוליות נמוכות יותר תוך הרחבת חיי הצומח.

חיישנים מתקדמים ו- In-Situ Monitoring

חיישנים אלקטרוכימיים מסורתיים עבור pH, מוליכות, ופוטנציאל החמצן האדום מוגבל על ידי סחף, רעוע וחיים קצרים בשירות תחת קרינה.דור חדש של חיישנים מוצקים, חיישנים אופטיים, ואלקטרוכימיים ספקטרום (EIS) עמידים לשיבושים ויכולים לפעול ברציפות במשך חודשים או אפילו שנים ללא החלמה.

מידע עדכני ולמידה של מכונות

זרם הנתונים העצום של חיישנים מתקדמים יכול להיות רתום עם אלגוריתמי למידת מכונה כדי לזהות מגמות עדינות ולצפות סטייתות לפני שהם להסלים לבעיות. מודלים חיזוייים יכול לחזות את תחילת של תחבורה של מוצרי קורוזיה, את הצטברות של פיקדונות רדיואקטיביים בגנרטורים קיטור, או את הצורך להתאים את קצב ההזרקה הכימית בהתבסס על שינויים אנרגיה צפויים.

מערכות Dosing כימיות אוטומטיות

מערכות דו-לשוניות כימיות סגורות שמתאים באופן אוטומטי את שערי ההזרקה המבוססים על משוב חיישן מופרסות במספר צמחים.מערכות אלה משלבות בין-אינטגרל-אי-אי-רטיבי (PID) בקרים עם לוגיקה מרופדת או רשתות עצביות כדי להתמודד עם הלא-לינאריות ועיכובים בזמן הטבועים בכימיה במים.התוצאה היא שליטה הדוקה יותר של pH, חמצן, וריכוזים, צמצום פסולת כימית וטעמה, וטעמה, וטעימה, וטעמה, לדוגמה, לדלקת-אנושית.

פורמולות כימיות

חוקרים מפתחים חלופות לתוספים מסורתיים המציעים ביצועים מעולים עם רעילות נמוכה יותר פרופיל סביבתי טוב יותר.אזור מבטיח אחד הוא השימוש של תחמוצת מתכת ננו-scale (למשל, חלקיקים תחמוצת אבץ) שניתן מוזרק בכמויות מדויקות ורכיב עצמי לתוך שכבות הגנה על משטח מתכת. חידושים אחרים כוללים מטבוליים חמצן רב-מעוריים כי נמנעים רעילים על ידי חומרים מדלקתיים של חומרים מורכבים, גם כן, אשר מקלים של קרינה מקופלת, באופן יעיל יותר, לעומת זאת, הם למעשה, מזיהומים מורכבים.

אלקטרו-כימיקלי Impedance Spectroscopy (EIS)

EIS היא טכניקה לא פולשנית אשר חל מתח קטן שינוי לקורר ומצעד התגובה הנוכחית.ספקטרום האימפולסיבית ניתן לנתח כדי לקבוע את מצב של סרטים תחמוצת על משטחים מבניים, המציין את תחילת קורוזיה או את ההתמוטטות של שכבות הגנה.In-line EIS יכול לספק התראה מוקדמת של סטייה מכימיה אופטימלית, ומאפשר פעולות נכונות לטווח ארוך של פעולות מצטברות לפני שהמודלים עדיין מבטיחים של פיילוט.

היתרונות של אסטרטגיות כימיה מים מודרניות

יישום גישות חדשניות אלה מביא שורה של יתרונות מוחשיים המשפיעים ישירות על בטיחות הצמח, הכלכלה וביצועים סביבתיים.

• (FLT:0) עידוד בטיחות בטיחות (FLT:1) - ניטור בזמן אמת וניתוח חיזוי להפחית את הסיכון של קורוזיה או טיולי כימיה בלתי מזוקקים שעלולים להוביל לכישלון רכיב.
• (FLT:0)השפעת הסביבה של השפעתה על איכות הסביבה 1 - צריכת כימית נמוכה יותר והחלפת חומרים רעילים כמו hydrazine עם חלופות ירוקות יותר לקצץ בדור פסולת מסוכן ואת הפוטנציאל לזרמים מקריים.
• (FLT:0) עלויות התפעוליות של לואוור 1 (FLT:1) - מינון אוטומטי וצמצום דרישות המדגם של המפעילות דרישות מופחתות עלויות העבודה.תחזוקה חיזוי נמנעת מהוצאות יקרות ללא מתוכננות.
• (FLT:0) יעילות צמחית ותוחלת החיים של LT:1 ; שליטה טובה יותר של עבירה ושחיתות מבטיחה כי משטחי העברת חום נשארים נקיים וכי שלמות הגבול בלחץ נשמר.זה מאפשר לכורים לפעול ביעילות תרמית גבוהה יותר ומרחיב את הזמן בין בדיקות עיקריות ותחליפים רכיב.
• (FLT:0) שיפור הגנת הקרינה: 1R) על ידי צמצום התחבורה וההתערות של קובלט רדיואקטיבי, ענפי קרינה מחוץ לקורה מושגים, צמצום המינון הקולקטיבי לאנשי תחזוקה ומאפשרים חבילות עבודה יעילות יותר.

מחקרים: יישום במפעלי הפעלה

כמה שירותים כבר החלו לפרוס אלמנטים של ערכת כלי הכימיה החדשה של מים, בעוד תוצאות מפורטות הן לעתים קרובות דוחות קנייניים, ציבורי-דומיין וועידות בתעשייה הדגישו הצלחות.

שימוש ב-APWR באירופה

מפעילת PWR אירופית שיתפה פעולה עם ספק טכנולוגיה כדי להתקין פלטפורמה למידת מכונה המשלבת נתונים כימיה בזמן אמת עם כוח ופרמטרים זרימה.המערכת צופה ריכוז של תצלומי מוצר קורוזיה (כגון ברזל ניקל) היוצאת מהלב ומנבאת כאשר "התפרצות קרה" - שחרור פתאומי של פיקדונות - עשוי להתרחש.

ביצוע ובדיקה מתקדמים ב-BWR בארצות הברית

במתקן מים רותח בארה"ב, הותקנה מערכת הזרקת מימן אוטומטית המשתמשת בחיישנים גזים רבים מפורשים ואלגוריתם בקרת משוב קדימה / משוב.המערכת שומרת על הסביבה המתקררת במצב מופחת הממדיקד את הלחץ corrosion סדק ב-Reculation הכור, מאז ועדה, הצמח לא חווה אירועים הקשורים לכימיה, והשימוש במימן ירד ב-15%, בהשוואה להורדת הוצאות בקרה ידניות ישירות.

רגולציה וסטנדרטי תעשייה

חדשנות כימית במים אינה מתרחשת בגופים של ואקום. . Regulatory וארגונים בתעשייה מספקים קווים מנחים הקובעים מגבלות מקובלות על הפרמטרים המרכזיים, וכל שיטה חדשה חייבת להוכיח שהיא עומדת בדרישות הבטיחות הקיימות.

הנחיות NRC ו-IAEA

ועדת הפיקוח הגרעיני של ארה"ב (NRC) מתייחסת למדריך רגולטורי 1.155 ("בקרת הכימיה במים ב- PWRs") והדרכה הקשורה המציינת טווחי pH מקובלים, ריכוזים של תוספים, ונטרולציה.סוכנות האנרגיה האטומית הבינלאומית (IAEA) מפרסם דוחות בטיחות ומסמכים טכניים המכסים כימיה מים עבור PWRs ו- BWRs. Utilities המבקשים לפרוסטור חדש של מערכות כימיות או חיישן NG חייב לעתים קרובות להגיש בדיקה חזקה?

הנחיות

מכון המחקר של חשמל כוח (EPRI) מספק הנחיות לכימיה נרחבות, בעלות ערך גבוה מאוד, אשר מאומצות על ידי התעשייה.מסמכים אלה מזקקים עשרות שנים של מחקר וניסיון תפעולי למגבלות המומלץ עבור pH, חמצן, מימן, וחוסר אונים במערכות הראשיות והמשניות.EPRI גם מארגן תוכניות שיתופיות על מכשירים מתקדמים ותוספים כימיים, המשרתות ביעילות כמבחן לטכנולוגיות חדשות לפני שהן פרוסות באופן מסחרי.

ממציאים שמטרתם לשיווק פתרונות כימיה מים חדשים צריכים לעסוק עם EPRI מוקדם בפיתוח כדי להתאים לפרוטוקולים הצפופים בתעשייה ולמנף את תהליכי האימות הקפדניים של הארגון.

אתגרים ושיקולים

למרות ההבטחה לחידושים אלה, כמה מהמכשולים נותרו לפני שניתן יהיה לאמץ אותם באופן נרחב על פני הצי הגרעיני.

• (FLT:0) שילוב עם מערכות מורשת של מורשת 1FLT: צמחים רבים קיימים עוצבו עם בקרה אנלוגית וחיישנים מחווטים קשה.
• (FLT:0) Cost of ApplicationsFLT:1 - חיישנים מתקדמים, פלטפורמות ניתוח נתונים, ורשתות הזרקת כימיקלים חדשות מייצגים השקעות הון על פני השטח, בעוד החזרי לטווח ארוך יכולים להיות נוחים, ניהול השירות עשוי להיותהסס לבצע מימון ללא נתיב רגולטורי ברור או להפגין חיסכון תפעולי.
• (FLT:0) חששות אבטחת מידע לגבי ההרחבה 1 - התקנת חיישנים ומערכות אוטומציה המחוברות לרשת מציגה וקטורים חדשים של סיכוני סייבר.התעשייה הגרעינית יש דרישות מחמירות עבור מערכות דיגיטליות (למשל, NRC Regulatory 5.71), וכל מערכת חדשה חייבת לעבור הערכה יסודית של אבטחת סייבר ולפתח כדי למנוע גישה בלתי מורשית שיכולה לפגוע בכימיה.
• (FLT:0) והתאמה והכשרה (FLT:1), חיישנים חדשים ונוסחאות כימיות חייבים להיבדק בתנאי כור ריאליים (טמפרטורה גבוהה, לחץ, קרינה) כדי להבטיח אמינות ארוכת טווח.מבחן חיים מואץ זה זמן רב ויקר, וזה עשוי לקחת שנים לפני קבלת מוצר חדש מקבל קבלה רגולטורית.
• (FLT:0) גורמים אנושיים של LT:1) - מפעילי וכימאים שבילו עשרות שנים באמצעות שיטות קונבנציונליות עשויים להיות ספקנים באלגוריתמים "Blackbox" או ביצוע אוטומטי.אימון ובניית אמון הם הכרחיים כדי להבטיח כי מערכות חדשות משמשים ביעילות וכי אנשים יכולים להתגבר על פעולות אוטומטיות במידת הצורך.

כיוונים עתידיים בכימיה גרעינית

במבט קדימה, בקרת הכימיה במים תמשיך להתפתח, מונעת על ידי התפתחויות בתעשיות אחרות (למשל, כימי, שמן וגז, אוויר) וכן על ידי הצרכים הספציפיים של עיצובי כור חדש.

מערכות כימיה מים חכמות

החזון האולטימטיבי הוא מערכת בקרת מים אוטונומית לחלוטין המשלבת חיישנים עצמיים, היתוך נתונים בזמן אמת, וקבלת החלטות המונעת על ידי AI המייעלת תוספת מינון, צופה ירידה בציוד ואפילו יוזמים פעולות תחזוקה.מערכת כזו תפעל עם התערבות מינימלית, שחרור כימאים צמחיים להתמקד על פיקוח אסטרטגי ולא התאמות.

הפחתה של תלות כימית באמצעות שיפורים חומריים

אחת הדרכים לפשט את הכימיה של מים היא להשתמש בחומרים כי הם מטבעם יותר קורוזיון עמיד או זה לא דורש משטרים מורכבים.מחקר לסגסוגת מתקדמת (למשל, Alloy 690, Alloy 725) וציפויים (למשל, קרמיקה או יהלום דמוי פחמן) עשוי להפחית את הצורך בשליטה על כמה מנגנוני קורוזיון.

שימוש ב-SMRs Small Modular Reactors (SMRs)

רבים עיצובי כור מודולרי קטנים, במיוחד נוזלי-מטל-מלוט וכורים אל-ערוט, אינם משתמשים במים כמו הקרנית העיקרית, ולכן שליטתם הכימיה שונה לחלוטין.עם זאת, כורים למים (למשל, מודול Nuale Power) עדיין ידרוש ניהול מים יעיל, אך עם מורכבות פחות מאשר צמחי GWclass.

מסקנה

ניהול הכימיה במים בתחנות כוח גרעיני עובר טרנספורמציה עמוקה.מהימים של דגימות לתפוס ידניות לוחות זמנים כימיים קבועים, התעשייה נעה לעבר עתיד של ניתוח בזמן אמת, חיזוי, ואוטומטי, ידידותי לסביבה, החידושים האלה משפרים את הבטיחות ישירות על ידי צמצום הסיכון של קורוזיה בלתי מחוספסת; הם משפרים ביצועים כלכליים על ידי הורדת עלויות תפעוליות וצמצום החיים הכימיים וצמצום כוח גרעיני; הם מכווץים.

עם זאת, הדרך לפרריסה נרחבת אינה ללא מכשולים.התחלות במערכות מתקדמות למפעלים הקיימים דורשות תכנון זהיר, השקעה משמעותית ואישור רגולטורי.אבטחת סייבר, אימות מערכת ואימון כוח העבודה הם קריטיים להצלחה.

עבור מנהלי שירותים ומהנדסי צמחיים להעריך את השלבים הבאים, מעורבות בגופים תעשייתיים כגון EPRI ו- IAEA, השתתפות בפרויקטים של טייס, ובניית מפת דרכים לאימוץ מצטבר יכול להתחיל את המסע לקראת בקרת מים מודרניים.