真空工藝在壓水堆核電站中的應(yīng)用

王茂　賈榮林　王文超

【摘 要】本文從真空工藝在核電站主回路系統(tǒng)中壓力殼夾層和氣冷機(jī)冷凝器中應(yīng)用，以及在核電站輔助系統(tǒng)中應(yīng)用于真空凈化、除氣和精餾的兩個(gè)方面、多個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用上，向讀者全面介紹了真空技術(shù)和真空工藝在目前核電站運(yùn)行領(lǐng)域中的具體應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀。

【關(guān)鍵詞】主回路；輔助系統(tǒng)；凈化；除氣；水處理

1 壓水堆核電站系統(tǒng)構(gòu)成

核電堆型主要分為壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨氣冷堆、石墨水冷堆、快中子堆，其中壓水堆和沸水堆均屬于輕水堆，目前世界各國應(yīng)用最為廣泛的、最成熟的便是壓水堆核電站。壓水堆核電站系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，主回路系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)構(gòu)成壓水堆核電站。而主回路又分為一回路和二回路，其中相關(guān)主要的部件有：反應(yīng)堆、堆壓力殼、汽輪機(jī)、蒸汽發(fā)生器、冷凝器及各種真空獲取設(shè)備（如真空泵等）。核電站的輔助系統(tǒng)包括凈化冷卻劑系統(tǒng)、保持冷卻水系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)、應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)、停堆冷卻水系統(tǒng)、安全注射系統(tǒng)、消氫系統(tǒng)、安全噴浴系統(tǒng)、空氣循環(huán)凈化系統(tǒng)、三廢處理系統(tǒng)等等。真空技術(shù)在核電站的主回路和輔助系統(tǒng)中均有大量的應(yīng)用，下文將做詳細(xì)的闡述。

2 真空工藝在主回路系統(tǒng)的應(yīng)用

核電主回路系統(tǒng)一般大都工作在高溫、高壓狀態(tài)，但也有處于真空狀態(tài)運(yùn)行的，如壓力殼夾層、氣冷機(jī)冷凝器等就屬于這種情況。

壓力殼夾層中的應(yīng)用：目前大型的壓水堆的壓力殼一般都是雙層的，壓水堆核電站壓力殼采用帶真空的夾層，目的是為了增強(qiáng)核電的安全性。壓力殼是允許有一定的泄漏的，國外電站一般壓力殼的設(shè)計(jì)上的允許泄漏率不得超過殼內(nèi)空氣體積總量的1%/每天。通過大型真空泵，電站可以抽取壓力殼內(nèi)泄漏到真空夾層中的放射性氣體，并將該氣體送到高效過濾器進(jìn)氣口，使之得以凈化后排入大氣，有效的避免了殼內(nèi)放射性氣體通過夾層向殼外泄漏。

冷凝器中應(yīng)用：冷凝器是位于核電汽輪機(jī)下端的重要部件，其內(nèi)部是處于真空狀態(tài)的。汽輪機(jī)冷凝器大多都是箱形或圓柱筒形的，數(shù)萬根管排列其中，冷卻水在其中通過。二回路的蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)的葉輪做功，然后又被真空吸入冷凝器內(nèi)，在冷凝器的管的外壁上，被吸入的蒸汽會(huì)被迅速冷卻而凝結(jié)成冰，最后再落下來，再被送回蒸汽發(fā)生器中受熱蒸發(fā)，循環(huán)利用。核電站與火電站相比較，蒸汽壓小，蒸汽溫度低，相對(duì)更容易形成小液滴，這些液滴對(duì)汽輪機(jī)設(shè)備葉片損害很大。這時(shí)候處于真空狀態(tài)的冷凝器，就能把噴嘴壁上的液態(tài)水吸進(jìn)冷凝器，冷凝器內(nèi)的工作條件相當(dāng)惡劣，需要可以長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的真空泵設(shè)備來獲取真空。

3 真空工藝在輔助系統(tǒng)的應(yīng)用

真空凈化、除氣和精餾是真空技術(shù)和真空工藝在輔助系統(tǒng)中的典型應(yīng)用。

冷卻劑質(zhì)量控制系統(tǒng)：在主回路高溫高壓且具有強(qiáng)輻射的情況下，水是壓水堆的主要冷卻劑，它經(jīng)過這種惡劣環(huán)境會(huì)發(fā)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，并對(duì)流經(jīng)材料或接觸面會(huì)產(chǎn)生腐蝕作用，所以各個(gè)核電站均需把水質(zhì)控制作為一個(gè)重要的工作來做。作為核電站一回路中的水，必須對(duì)水中的氧、氯、氟、酸堿度、固體含量以及放射性等指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制，這就要求我們必須對(duì)一回路冷卻劑設(shè)置循環(huán)凈化系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)可以是冷卻劑（水）在主回路中經(jīng)過凈化處理后再回到一回路進(jìn)行循環(huán)。水中的氯、氧、氫等氣體可以通過真空凈化技術(shù)很好的去除，其凈化效果遠(yuǎn)勝于僅使用離子交換器凈化的效果。一回路水是高溫，真空凈化就是設(shè)置在其降溫過程中，然后才進(jìn)行離子交換。上世紀(jì)末，先真空凈化、再通過離子交換器凈化的先進(jìn)工藝已經(jīng)在國外很多核電站中得以應(yīng)用和推廣。

二路冷卻劑除氣：用化學(xué)方法是很難去除二路冷卻劑中氫、氪、氙等氣體的。要將冷卻劑中裂變氣體濃度在原始放射性濃度的基礎(chǔ)上降低四到五個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更高，方可達(dá)到直接排放或循環(huán)使用的目的，而這種技術(shù)指標(biāo)是很高的，技術(shù)是相當(dāng)先進(jìn)的。已經(jīng)有研究可以證明，真空除氣可以滿足以上指標(biāo)的要求，真空除氣又可以分為熱法、氣體吹掃法和真空法三種，這其中真空除氣的方法比另外兩種方法具有更大的應(yīng)用前景，因?yàn)樗鼰o需加熱源，常溫下便可對(duì)液體頂部抽真空使之沸騰，達(dá)到良好的除氣效果。進(jìn)入21世紀(jì)以來，真空除氣法應(yīng)用最廣，核電專用的真空獲取設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)。

三廢處理系統(tǒng)：三廢處理是確保核電站正常運(yùn)行的重要日常性工作，而目前對(duì)放射性廢物的處理還未得到根本的解決，需要進(jìn)一步的開展專項(xiàng)研究和投入。因三廢中的廢氣、廢水、固體廢物均存在放射性，要使其達(dá)標(biāo)排放或達(dá)標(biāo)處理，必須使其整個(gè)處理過程處在一個(gè)真空負(fù)壓的狀態(tài)進(jìn)行，目前真空工藝已普遍應(yīng)用到核電站后處理過程中了。

含氚廢水處理：20世紀(jì)60年代，國外科研機(jī)構(gòu)早已進(jìn)行了廢水和廢氣中的氚分離的專項(xiàng)研究，但截止目前，還沒有一種方法得到推廣和實(shí)際應(yīng)用，目前稀釋排放是對(duì)氚廢水處理的唯一方法。從最新技術(shù)和實(shí)用經(jīng)濟(jì)性角度看，真空精餾技術(shù)有望成為分離氚的重要技術(shù)得以應(yīng)用，真空精餾分離氚水和輕水的工藝是在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，方法及步驟相當(dāng)簡(jiǎn)便，如果得以應(yīng)用，必將成為主流分離技術(shù)。

沸水堆水處理：沸水堆只有一個(gè)回路，在高放射性環(huán)境下，它在堆內(nèi)將水直接轉(zhuǎn)化為蒸汽，水進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電后，水中的放射性就被帶到汽輪機(jī)和其附屬部件上去了，同時(shí)排除的蒸汽和廢水也必將含有高強(qiáng)度的放射性。真空工藝的活性炭吸附法是沸水堆廢水處理最為成功的方法之一，具備的工藝處理流程如下：

來自汽輪機(jī)的廢水→抽氣機(jī)→加熱器→干燥器→冷卻器→干燥器→吸附塔→過濾器→真空泵→排出。

上世紀(jì)以來，由于沸水堆的水處理問題得到很好的解決，目前沸水堆已逐漸成為壓水堆之外的、建造最多的堆型了，例如日本等國均有大量建造。

4 結(jié)束語

隨著世界核電和核科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，真空技術(shù)在核電站運(yùn)行中的應(yīng)用必將越來越廣泛，真空技術(shù)的發(fā)展也必將對(duì)核電站的運(yùn)行及相關(guān)技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新做出更大的貢獻(xiàn)。

[責(zé)任編輯：田吉捷]