燃料破損情況下大修停堆過程放射化學(xué)控制研究

史慧梅，蔡金平，賴宏宇

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

核電壓水堆機組與冷卻劑接觸的金屬材料的腐蝕及磨蝕產(chǎn)物經(jīng)堆芯輻照后轉(zhuǎn)化成放射性活化產(chǎn)物，機組停堆過程中，一回路冷卻劑溫度和pH值的降低、溶解氫含量下降、空氣進(jìn)入以及主泵的擾動，使放射性腐蝕產(chǎn)物溶解度增加，沉積的腐蝕產(chǎn)物不斷剝落、溶解、遷移使腐蝕活化產(chǎn)物的釋放率大幅度躍升[1]，采取氧化運行即在冷停堆時注入雙氧水，使水中和設(shè)備內(nèi)壁的腐蝕活化產(chǎn)物快速溶解，并在金屬表面形成致密的氧化膜，減緩活化腐蝕產(chǎn)物的進(jìn)一步溶解和剝落[2]，同時對主冷卻劑進(jìn)行凈化及過濾，減少腐蝕活化產(chǎn)物在系統(tǒng)表面的沉積，降低設(shè)備、管道的輻射水平。

燃料破損的情況下，裂變產(chǎn)物通過破損的包殼間隙向一回路冷卻劑釋放，使冷卻劑中的總放射性及放射性核素活度增加[3]，在功率運行期間，包殼破損將影響到機組效率和機組安全運行，但由于某核電本次燃料破口微小，功率運行時一回路溫度壓力相對穩(wěn)定，水中的放射性核素釋放達(dá)到一個基本平衡的狀態(tài)，總體可控。而反應(yīng)堆停堆期間，一回路溫度、壓力急劇變化，燃料包殼中的氣態(tài)放射性核素釋放加速，甚至有裂變碎片反沖通過包殼間隙進(jìn)入一回路冷卻劑[4]，使一回路冷卻劑中的放射性核素監(jiān)測和控制存在一定的不可預(yù)測性。

近年來，國內(nèi)新投運的M310機組首循環(huán)運行階段出現(xiàn)燃料包殼破損情況，某核電在首循環(huán)運行階段也出現(xiàn)燃料包殼破損。本文通過對某核電燃料包殼破損下首次大修停堆過程水化學(xué)放射性參數(shù)控制效果進(jìn)行了總結(jié)，針對主要階段關(guān)鍵核素種類和比活度變化、控制手段及效果進(jìn)行分析，并對遇到的異?，F(xiàn)象進(jìn)行了初步原因分析，提出了優(yōu)化建議。為后續(xù)同類核電廠提供經(jīng)驗借鑒，對燃料包殼破損下反應(yīng)堆停堆過程中核安全控制、降低集體劑量、縮短大修工期、提高換料大修經(jīng)濟(jì)效益等方面均有重要指導(dǎo)意義。

1 燃料破損情況下大修停堆主要放射性化學(xué)參數(shù)

1.1 裂變產(chǎn)物

燃料元件破損時，堆芯中的裂變產(chǎn)物會通過破口進(jìn)入冷卻劑，通過對冷卻劑的取樣分析檢測其中裂變產(chǎn)物的種類和數(shù)量變化，主要是碘核素、惰性氣體(Xe)核素[3]，裂變產(chǎn)物的監(jiān)測能指導(dǎo)化學(xué)控制手段，同時為換料期間破損燃料檢查提供依據(jù)。

131I、133Xe是機組運行期間裂變產(chǎn)物的主要成分也是破損燃料最先釋放進(jìn)主系統(tǒng)的裂變產(chǎn)物[3]。當(dāng)燃料包殼存在缺陷時，133Xe的放射性增加會很快被發(fā)現(xiàn)，故133Xe是一種很好的燃料包殼密封性指示核素。在燃料包殼破損時，133Xe占主系統(tǒng)中裂變氣體總數(shù)的70%。131I對工作人員的輻射毒性強，主要損害器官是甲狀腺，以氣體分子形式存在氣相，同時以化合物形態(tài)存在于液相中。某核電對133Xe以及以氣體分子形式存在的131I主要通過掃氣和除氣去除；對于以碘離子形式存在的131I通過除鹽床來凈化。

1.2 腐蝕產(chǎn)物

核電廠機組功率運行期間，金屬材料腐蝕產(chǎn)物58Ni(n,p)58Co反應(yīng)，使58Co在一回路系統(tǒng)內(nèi)大量存在，因此成為了腐蝕產(chǎn)物控制的主要核素。對于腐蝕活化產(chǎn)物主要通過氧化運行的手段進(jìn)行控制。通過向主系統(tǒng)添加雙氧水，使冷卻劑還原性環(huán)境向氧化性環(huán)境轉(zhuǎn)變，快速溶解腐蝕產(chǎn)物，并通過凈化系統(tǒng)去除；同時，也使主系統(tǒng)相關(guān)管線上形成氧化膜保護(hù)層，抑制或大幅減緩基體金屬的釋放，從而控制有效可溶性氧化物的溶解。

2 某核電廠燃料破損情況下大修停堆過程水化學(xué)控制

本文對機組降功率前(穩(wěn)壓器汽腔吹掃)至汽腔淹沒、氧化凈化、主泵停運到穩(wěn)壓器人孔打開、反應(yīng)堆水池充水，這四部分主要放射性核素趨勢及控制情況做詳細(xì)分析，并提出相應(yīng)的優(yōu)化建議。

2.1 機組降功率前(穩(wěn)壓器汽腔吹掃開始)至汽腔淹沒階段

此階段的主要水化學(xué)參數(shù)為133Xe和131I，穩(wěn)壓器汽腔吹掃到穩(wěn)壓器滅汽腔階段133Xe和131I變化趨勢如圖1所示。

從圖1可以看出，從機組解列至次臨界再至開始降溫降壓期間，出現(xiàn)明顯的133Xe與131I峰，機組降溫降壓同樣使133Xe與131I裂變產(chǎn)物明顯增長，驗證了破損燃料的存在，并說明破損燃料存在時裂變產(chǎn)物的釋放受功率、溫度、壓力變化而明顯變化。

從①可以看出穩(wěn)壓器汽腔吹掃使133Xe明顯降低，而131I無明顯影響，從②硼回收系統(tǒng)除氣器投運后133Xe下降明顯增快，131I未明顯下降，反受之后的降溫降壓影響而增加，穩(wěn)壓器滅汽腔后使133Xe明顯增加；在穩(wěn)壓器汽腔吹掃前，隨著投運第二組下泄孔板，下泄流量增大后，131I下降明顯，133Xe有不降反增的趨勢，說明131I絕大部分為離子態(tài)主要以除鹽床凈化。

綜上所述，建議此階段如下優(yōu)化措施：1)持續(xù)保持穩(wěn)壓器汽腔吹掃和化學(xué)和容積控制系統(tǒng)容控箱吹掃，以去除氣相中放射性核素133Xe；2)熱停堆后盡早使用硼回收系統(tǒng)除氣器除氣，并盡可能使用，提高效率，以去除氣相中放射性核素，如133Xe；3)需將化學(xué)和容積控制系統(tǒng)下泄凈化流量調(diào)整至該工況下最大，并保持除鹽床有效性，以去除水中放射性核素。

圖1 穩(wěn)壓器汽腔吹掃到穩(wěn)壓器汽腔淹沒階段133Xe與131I變化趨勢Fig.1 Change trend of 133Xe and 131I during the purge phase to the submerged phase of pressurizer

2.2 氧化凈化階段

氧化凈化主要是通過加入雙氧水氧化運行，并經(jīng)過除鹽床進(jìn)行凈化，目的是使腐蝕活化產(chǎn)物集中釋放，快速溶解并凈化，為后續(xù)檢修工作爭取時間；同時，在管道上形成氧化膜，阻止活化產(chǎn)物的進(jìn)一步溶解和剝落，以減少檢修人員的受照劑量。

主要腐蝕活化產(chǎn)物為58Co。在加入雙氧水進(jìn)行氧化運行后，主系統(tǒng)中58Co的比活度約增至氧化前的10倍，加入18 L濃度30%的雙氧水后35分鐘，58Co出現(xiàn)峰值。隨著凈化的進(jìn)行，58Co比活度逐漸下降，具體如圖2所示。

圖2 氧化凈化階58Co和總γ段變化趨勢Fig.2 Change trend of 58Co and totalγ in oxidation and purification stage

從圖2看出，降溫降壓至加入雙氧水除氫①階段總伽馬上升趨勢明顯，58Co基本穩(wěn)定，說明破損燃料裂變產(chǎn)物的釋放受溫度、壓力變化較腐蝕活化產(chǎn)物58Co明顯；②處58Co和總γ出現(xiàn)一次階躍，是由于溶解氫反彈后采取注入7 L雙氧水進(jìn)行化學(xué)除氫操作，溶解氫很快下降至3 ml/kg(STP)，腐蝕產(chǎn)物被部分氧化釋放。③處出現(xiàn)一個平臺，建議若必需化學(xué)除氫，溶氫合格后盡快加入足量雙氧水進(jìn)行氧化，可以減小此平臺，縮短大修工期。

氧化階段，如上圖一回路氧化效果良好，氧化出現(xiàn)58Co和總γ峰值較高，與同類機組首次換料大修相當(dāng)，但④處下降緩慢58Co和總γ峰頂較寬，初步分析與化學(xué)和容積控制系統(tǒng)凈化流量調(diào)至最大時間延遲有關(guān)，建議出現(xiàn)峰值后溶氧>1 mg/kg即調(diào)至最大凈化流量。但58Co和總γ的最高值出現(xiàn)時間較同存在破損燃料的機組首次換料大修稍早，與溶解氫反彈后加入雙氧水化學(xué)除氫有關(guān)，也與吸收了同類電廠的經(jīng)驗反饋增加了雙氧水的加入量有關(guān)。

凈化階段，此次凈化因硼回收系統(tǒng)除鹽床(氫型混合樹脂)無法投運，使用化學(xué)和容積控制系統(tǒng)除鹽床(鋰型混合樹脂)，從上圖看出⑤階段與⑥階段下降斜率相當(dāng)，此凈化期化學(xué)和容積控制系統(tǒng)除鹽床凈化效率達(dá)90%以上(含1RCV001FI的過濾效率)。⑦處出現(xiàn)平臺，因1RCV001FI堵塞，旁路除鹽床達(dá)6 h之久，直接拉長了凈化時間，影響大修工期。優(yōu)化建議為：提高對1RCV001FI的關(guān)注度，提前檢查過濾效率，并作好更換的風(fēng)險預(yù)案。因化學(xué)和容積控制系統(tǒng)除鹽床較硼回收系統(tǒng)除鹽床容量小，且鋰型樹脂較氫型樹脂貴，交換效率理論上相對較弱，結(jié)合同類電廠經(jīng)驗建議優(yōu)先使用硼回收系統(tǒng)除鹽床。

2.3 主泵停運到穩(wěn)壓器人孔打開階段

此階段的主要水化學(xué)參數(shù)為133Xe，主泵停運到穩(wěn)壓器人孔打開期間133Xe變化趨勢如圖3所示。

圖3 主泵停運到穩(wěn)壓器開人孔期間133Xe變化趨勢Fig.3 Change trend of 133Xe during shutdown of primary pump to manhole opening of pressurizer

從圖3可以看出133Xe、131I出現(xiàn)回升及波動，主要是因為主系統(tǒng)壓力的變化導(dǎo)致。還可以看出133Xe的波動幅度比131I大，說明主系統(tǒng)壓力變化對133Xe的釋放影響更大。圖示133Xe每次反彈后133Xe下降斜率不同。主要是由化學(xué)和容積控制系統(tǒng)容控箱的吹掃流量不同所致，吹掃流量越大下降越快。131I的下降斜率僅受化學(xué)和容積控制系統(tǒng)凈化流量的影響。

在停堆過程中，主系統(tǒng)降溫降壓會導(dǎo)致破損燃料棒內(nèi)部壓力變化，從而造成裂變產(chǎn)物從破口中釋放出來。為了確保主系統(tǒng)降壓到開口時，131I、133Xe等裂變產(chǎn)物不出現(xiàn)較大反彈導(dǎo)致超過穩(wěn)壓器開人孔的控制限值，某核電101大修在主系統(tǒng)降壓到2.5 MPa平臺后反復(fù)進(jìn)行了數(shù)次升降壓，直到131I、133Xe釋放比較充分后才進(jìn)行穩(wěn)壓器開人孔。避免了主系統(tǒng)開口后放射性核素反彈到超過系統(tǒng)開口的放射性核素限值要求的情況。

根據(jù)上述分析，建議該階段應(yīng)在保證核安全的前提下，盡量提高化學(xué)和容積控制系統(tǒng)容控箱的吹掃流量或硼回收系統(tǒng)除氣器除氣量。同時，在主系統(tǒng)降壓到2.5 MPa平臺后應(yīng)考慮進(jìn)行數(shù)次升降壓，直至133Xe、131I釋放充分，以免主系統(tǒng)開口后出現(xiàn)大量反彈的情況。

2.4 反應(yīng)堆排水至換料水池充水前

如圖4所示。

圖4 反應(yīng)堆排水至換料水池充水前58Co、133Xe變化趨勢Fig.4 Change trend of 58Co and 133Xe during the reactor draining to the refueling tank filling

反應(yīng)堆開始排水至法蘭面10.5 m過程中，一回路總γ、58Co、133Xe均明顯上漲。其主要原因是：1)穩(wěn)壓器及主系統(tǒng)過渡段未充分凈化的水隨RRA泵的帶入；2)一回路水循環(huán)方式被打破，因一回路下泄流隨經(jīng)過化學(xué)和容積控制系統(tǒng)除鹽床凈化直接排至硼回收系統(tǒng)，而非回到一回路。

建議在堆池排完水后，盡快恢復(fù)上充流量，形成一回路水循環(huán)，穩(wěn)定溫度壓力環(huán)境。

3 燃料破損情況下大修停堆過程水化學(xué)控制優(yōu)化建議

3.1 裂變產(chǎn)物的控制

131I、133Xe是破損燃料在停堆過程中釋放的裂變產(chǎn)物主要成分，為了確保在停堆后安全殼空氣中活度盡量低，避免大修人員接收不必要的劑量。主要措施有：

1)提前進(jìn)行穩(wěn)壓器汽腔吹掃；2)盡早投用硼回收系統(tǒng)除氣器；3)持續(xù)容控箱吹掃；4)盡可能保持除鹽床以最大流量凈化；5)在主泵停運后至穩(wěn)壓器開人孔前階段133Xe、131I出現(xiàn)反彈，考慮在2.5 MPa平臺后進(jìn)行反復(fù)升降壓，直至133Xe、131I釋放充分，以免主系統(tǒng)開口后出現(xiàn)較大反彈的情況。

3.2 腐蝕活化產(chǎn)物控制

核電廠腐蝕產(chǎn)物控制的主要核素為58Co，本次大修監(jiān)測到的主要腐蝕產(chǎn)物還包括60Co、51Cr等，主要通過氧化停堆和系統(tǒng)凈化的手段進(jìn)行控制，優(yōu)化建議如下：

1)穩(wěn)壓器滅汽腔后可通過控制穩(wěn)壓器抬水位速率在一個較低水平控制溶氫反彈，一旦出現(xiàn)反彈，為節(jié)約主線工作時間，考慮進(jìn)行化學(xué)除氫，氫含量合格后及時加入足量雙氧水;

2)氧化停堆時雙氧水的加入量應(yīng)充足，首次大修因系統(tǒng)雜質(zhì)較多，應(yīng)適當(dāng)提高雙氧水的加入量;

3)氧化停堆過程58Co峰值出現(xiàn)且溶氧>1 mg/kg后，需盡快調(diào)整排污至最大凈化流量以縮短凈化時間，同時凈化過程中需考慮樹脂床前過濾器的堵塞，提前檢查更換。