模塊式小型壓水堆一回路水化學(xué)參數(shù)分析

謝楊　宋波　王亮　李毅　張玉龍

【摘 要】本文在調(diào)研國(guó)內(nèi)外壓水堆核電廠一回路水化學(xué)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋的基礎(chǔ)上，結(jié)合模塊式小型壓水堆的技術(shù)發(fā)展方向，對(duì)模塊式小型壓水堆一回路水化學(xué)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析研究，提出了模塊式小型壓水堆一回路水化學(xué)參數(shù)指標(biāo)，可為模塊式小型壓水堆一回路水化學(xué)工況的設(shè)計(jì)、水化學(xué)規(guī)程的制定提供參考。

【關(guān)鍵詞】水化學(xué)參數(shù)；一回路；模塊式小堆

0 引言

模塊式小型壓水堆由于其在安全特性及多用途性等方面的顯著特點(diǎn)而備受關(guān)注，可在區(qū)域供電、海水淡化、城市供暖、工業(yè)供氣等方面廣泛應(yīng)用，目前已成為核能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。為提高模塊式小型壓水堆的經(jīng)濟(jì)性，減少對(duì)人員和環(huán)境的影響[1]，需在延長(zhǎng)換料周期、縮短換料時(shí)間和加嚴(yán)劑量控制等方面予以考慮。

一回路水化學(xué)工況直接影響一回路結(jié)構(gòu)材料的腐蝕以及腐蝕產(chǎn)物在堆芯的沉積，與核電廠機(jī)組的安全可靠運(yùn)行密切相關(guān)。為滿足模塊式小型壓水堆向延長(zhǎng)換料周期、縮短換料時(shí)間和加嚴(yán)劑量控制等方向發(fā)展的需求，有必要開(kāi)展模塊式小型壓水堆一回路水化學(xué)參數(shù)研究工作，以確保反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的完整性，確保燃料包殼的完整性以及維持燃料組件的設(shè)計(jì)性能，減少堆芯外輻射場(chǎng)的劑量率。

本文在調(diào)研國(guó)內(nèi)外壓水堆核電廠一回路水化學(xué)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋的基礎(chǔ)上，對(duì)模塊式小型壓水堆一回路水化學(xué)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析研究，提出了模塊式小型壓水堆一回路水化學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

1 模塊式小型壓水堆一回路水化學(xué)工況的基本要求

模塊式小型壓水堆一回路水化學(xué)工況應(yīng)滿足如下基本要求：

（1）能降低一回路結(jié)構(gòu)材料的腐蝕速率，避免局部腐蝕的發(fā)生；

（2）能減少腐蝕產(chǎn)物和雜質(zhì)在燃料包殼表面的沉積，以避免熱阻增加進(jìn)而使燃料包殼的壁溫升高，加速燃料包殼的腐蝕；

（3）能減少腐蝕產(chǎn)物的釋放以及向堆芯遷移和活化，以降低堆芯外輻射場(chǎng)的劑量率。

2 水化學(xué)參數(shù)的特性分析

為盡量減少反應(yīng)堆冷卻劑浸潤(rùn)材料的均勻腐蝕和局部腐蝕，減少腐蝕產(chǎn)物向堆芯遷移，需維持良好的水化學(xué)工況，需對(duì)一回路水化學(xué)重要的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行控制，主要包括pH值、鋰、溶解氫、溶解氧以及雜質(zhì)（氯化物、氟化物、硫酸根、硅、鋁、鈣、鎂和懸浮物）等[3]。通過(guò)分析水質(zhì)參數(shù)控制的原因、特性及其相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，確定了模塊式小型壓水堆一回路水化學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

2.1 pH值

反應(yīng)堆冷卻劑pH值決定了結(jié)構(gòu)材料腐蝕速率、腐蝕產(chǎn)物釋放速率、腐蝕產(chǎn)物的遷移方向及沉積特性。合理確定運(yùn)行期間反應(yīng)堆冷卻劑pH值，不僅能減少結(jié)構(gòu)材料腐蝕，還能夠減少腐蝕產(chǎn)物向堆芯的遷移、沉積以及腐蝕產(chǎn)物的活化。

國(guó)內(nèi)壓水堆核電廠大多數(shù)采用的改進(jìn)型硼-鋰協(xié)調(diào)控制曲線，即（1）壽期初的鋰濃度維持恒定直到pH300℃達(dá)到7.0；（2）通過(guò)減少鋰濃度維持pH300℃=7.0；（3）鋰濃度維持恒定直到pH300℃達(dá)到最佳值7.2；（4）通過(guò)減少鋰濃度維持pH300℃=7.2。

針對(duì)模塊式小型壓水堆采用長(zhǎng)換料周期，對(duì)于反應(yīng)堆冷卻劑pH值控制優(yōu)化，主要體現(xiàn)在由于實(shí)施長(zhǎng)燃料循環(huán)后導(dǎo)致循環(huán)壽期初反應(yīng)堆冷卻劑中硼濃度的增加，鋰濃度隨著硼濃度的增加而相應(yīng)地提高，而硼-鋰協(xié)調(diào)控制曲線的基本特征和pH300℃目標(biāo)值未發(fā)生變化。因此，模塊式小型壓水堆冷卻劑的pH值優(yōu)化反映在硼-鋰協(xié)調(diào)曲線中鋰濃度的變化。

2.2 鋰

根據(jù)反應(yīng)堆物理的需要，硼酸作為可溶性中子毒物加入反應(yīng)堆冷卻劑中。為了保證在正常運(yùn)行期間維持反應(yīng)堆冷卻劑高溫下的高pH值，需向反應(yīng)堆冷卻劑中添加pH控制劑氫氧化鋰，其限值需根據(jù)高溫pH值的要求和對(duì)應(yīng)的硼濃度而確定的。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外壓水堆核電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，反應(yīng)堆冷卻劑中鋰濃度的優(yōu)化趨勢(shì)為適當(dāng)?shù)靥岣咪嚌舛冗\(yùn)行限值，以減少腐蝕產(chǎn)物在堆芯的沉積。在循環(huán)的開(kāi)始階段，國(guó)際上推薦使用的最小pH300℃值為6.9。在pH300℃低于6.9下運(yùn)行，會(huì)增加一回路的腐蝕產(chǎn)物、放射性劑量、堆芯的沉積物和燃料包殼的腐蝕。針對(duì)模塊式小型壓水堆采用長(zhǎng)燃料循環(huán)方案，以增加電廠的可利用率，減少大修次數(shù)，降低發(fā)電成本以及減少放射性廢物排放和乏燃料數(shù)量等，在長(zhǎng)燃料循環(huán)開(kāi)始時(shí)需增加反應(yīng)堆冷卻劑中硼濃度，故為了達(dá)到國(guó)際上推薦使用的最小pH300℃值，必須適當(dāng)提高反應(yīng)堆冷卻劑中的鋰濃度[4]。

另外，國(guó)外部分壓水堆核電廠發(fā)生過(guò)燃料軸向功率偏移（AOA），其可能造成反應(yīng)堆功率下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。目前，AOA機(jī)理還未完全弄清，但是與過(guò)冷沸騰下硼酸在燃料元件包殼沉積物中的濃縮形成LiBO2導(dǎo)致中子通量下降有關(guān)。而燃料包殼上沉積物的增加，會(huì)提高燃料包殼表面溫度，增強(qiáng)燃料的局部濃縮作用。因此，減少燃料包殼上沉積物的來(lái)源，對(duì)避免核電廠發(fā)生AOA是十分重要的。降低一回路系統(tǒng)材料腐蝕速率是減少燃料元件沉積物生成的重要手段之一，在核電廠一回路中通過(guò)采用提高鋰濃度的方法來(lái)使材料的腐蝕速率最小。同時(shí)，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，由于燃料循環(huán)壽期初的pH值最低，在此階段腐蝕產(chǎn)物的生成及轉(zhuǎn)移是最大的，故應(yīng)考慮在燃料循環(huán)壽期初通過(guò)提高反應(yīng)堆冷卻劑中的鋰濃度以提高pH[2]。

從目前國(guó)內(nèi)外核電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，當(dāng)壽期初的鋰濃度在2.2mg/kg-3.5mg/kg時(shí)，均未對(duì)一次側(cè)應(yīng)力腐蝕的發(fā)生造成任何可檢測(cè)的影響，亦對(duì)鋯合金包殼的腐蝕無(wú)明顯的影響。鋰濃度增加到3.5mg/kg的運(yùn)行是在目前的工業(yè)經(jīng)驗(yàn)范圍以內(nèi)。因此，模塊式小型壓水堆反應(yīng)堆冷卻劑中鋰濃度限值的選取可以此數(shù)值作為參考。

2.3 溶解氧和溶解氫

反應(yīng)堆冷卻劑中的溶解氧是造成一回路系統(tǒng)金屬材料腐蝕的重要原因，需盡量降低溶解氧濃度。在反應(yīng)堆升溫升壓初始階段通過(guò)向冷卻劑中加入聯(lián)氨去除溶解氧，在功率運(yùn)行階段通過(guò)維持冷卻劑中一定的溶解氫濃度抑制冷卻劑輻照分解產(chǎn)生氧。

目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)的壓水堆核電廠將反應(yīng)堆功率運(yùn)行期間的氫氣濃度控制在20ml（STP）/kg·H2O～50ml（STP）/kg·H2O，一方面，能夠達(dá)到將溶解氧控制在較低濃度水平的要求，另一方面，又能避免出現(xiàn)鋯合金氫脆現(xiàn)象，因此，模塊式小型壓水堆反應(yīng)堆冷卻劑中溶解氫濃度限值可選用此數(shù)值。

2.4 氯化物、氟化物和硫酸鹽

對(duì)氯化物和氟化物濃度的限制是基于其對(duì)奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕和鋯合金腐蝕的不利影響。對(duì)于硫酸鹽濃度的控制限度是依據(jù)與氯化物和氟化物限制濃度相符的原則進(jìn)行設(shè)定的，并考慮了其對(duì)奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕的抗蝕作用。

目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)的壓水堆核電廠將反應(yīng)堆冷卻劑中的氯化物、氟化物和硫酸鹽濃度限值控制在0.15mg/kg以內(nèi)，其在正常運(yùn)行工況下，對(duì)一回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的腐蝕影響很小，因此，模塊式小型壓水堆反應(yīng)堆冷卻劑中氯化物、氟化物和硫酸鹽濃度限值可選用此數(shù)值。

2.5 懸浮物

懸浮態(tài)的腐蝕產(chǎn)物會(huì)以氧化物的形式沉積在燃料包殼的表面上。限制懸浮物濃度的目的在于減少燃料包殼表面的沉積和系統(tǒng)放射性積累。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外壓水堆核電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，在正常功率運(yùn)行下，反應(yīng)堆冷卻劑中的懸浮物基本能保持在極低濃度水平，能夠滿足水質(zhì)監(jiān)督及運(yùn)行要求。

2.6 沸石生成元素

雜質(zhì)鈣、鎂、鋁和硅會(huì)沉積在燃料元件的孔隙內(nèi)，增加熱阻，進(jìn)而使燃料包殼的壁溫升高，并加速燃料包殼的腐蝕。嚴(yán)格限制鈣、鎂、鋁和硅濃度在控制范圍以內(nèi)，以防止發(fā)生沉積。

根據(jù)國(guó)外核電廠的運(yùn)行反饋，由于乏燃料水池中乏燃料儲(chǔ)存格架材料的輻照降解，引起乏燃料水池和換料水池中的硅濃度偏高，導(dǎo)致?lián)Q料后反應(yīng)堆冷卻劑中二氧化硅濃度偏高，從而增加投運(yùn)前的清洗成本和時(shí)間?？梢钥闯?，適當(dāng)放寬二氧化硅濃度的限值可明顯節(jié)省啟動(dòng)的時(shí)間并節(jié)約費(fèi)用。另一方面，對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑補(bǔ)水中鈣、鎂、鋁濃度的良好控制運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為適當(dāng)放寬二氧化硅濃度限值提供了條件。

研究數(shù)據(jù)表明，在反應(yīng)堆運(yùn)行條件下，二氧化硅的溶解度可達(dá)200mg/kg；但當(dāng)冷卻劑含有低濃度的鈣、鎂、鋁等沸石生成陽(yáng)離子時(shí)，二氧化硅在1mg/kg-10mg/kg濃度范圍就會(huì)發(fā)生沉淀，同時(shí)，當(dāng)鈣、鎂、鋁濃度越高時(shí)，形成硅酸鹽沉積對(duì)應(yīng)的二氧化硅濃度越低。因此，在放寬二氧化硅濃度限制的同時(shí)應(yīng)該進(jìn)一步控制冷卻劑中的鈣、鎂、鋁的含量，從而減少燃料上硅酸鹽的沉積。根據(jù)部分歐洲和美國(guó)的核電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在二氧化硅濃度為1mg/kg-3mg/kg的范圍內(nèi)運(yùn)行，沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題。但需要注意的是在這些核電廠中，補(bǔ)給水的沸石生成陽(yáng)離子濃度都低于規(guī)定的限值。

因此，為減少模塊式小型壓水堆換料后的投運(yùn)時(shí)間間隔和節(jié)省除硅成本，可適當(dāng)放寬二氧化硅濃度的限值要求，但同時(shí)需進(jìn)一步嚴(yán)格控制冷卻劑中的鈣、鎂、鋁的含量，從而減少燃料包殼表面上硅酸鹽的沉積。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)模塊式小型壓水堆一回路水化學(xué)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析研究，可以得出如下主要結(jié)論：

（1）為滿足模塊式小型壓水堆長(zhǎng)燃料循環(huán)周期的需要和減少機(jī)組燃料軸向功率偏移的發(fā)生，可將鋰濃度限值提高至3.5ppm來(lái)維持壽期初較高的pH值，從而減少腐蝕產(chǎn)物的生成和向堆芯遷移；

（2）為減少模塊式小型壓水堆換料后的投運(yùn)時(shí)間間隔和節(jié)省除硅成本，可適當(dāng)放寬二氧化硅濃度的限值要求，但同時(shí)需進(jìn)一步嚴(yán)格控制冷卻劑中的鈣、鎂、鋁的含量，從而減少燃料包殼表面上硅酸鹽的沉積；

（3）模塊式小型壓水堆冷卻劑中的溶解氫、氯化物、氟化物、硫酸鹽和懸浮物等水化學(xué)參數(shù)濃度限值的選取可參考國(guó)內(nèi)外大型壓水堆核電站。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王琳，等.小型模塊化反應(yīng)堆特性與應(yīng)用分析[R].2014年核電站新技術(shù)交流研討會(huì)，2014.10.

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[責(zé)任編輯：王楠]