減少反應(yīng)堆內(nèi)活化腐蝕產(chǎn)物進(jìn)入保存水池的方案研究

林天龍，蘇志勇，王用超，姜圣翰

（1. 海軍某部，北京 100841；2. 中國核動力研究設(shè)計院，成都 610014）

活化腐蝕產(chǎn)物是反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)壁金屬腐蝕剝落物在反應(yīng)堆活性段被中子活化后的產(chǎn)物[1-3]，大量的活化腐蝕產(chǎn)物易附著在乏燃料組件、吊籃、壓緊結(jié)構(gòu)、控制棒等堆內(nèi)構(gòu)件外表面。

隨著反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件吊運(yùn)至保存水池系統(tǒng)，大量的活化腐蝕產(chǎn)物跟隨堆內(nèi)構(gòu)件進(jìn)入保存水池系統(tǒng)。保存水池中的腐蝕產(chǎn)物少量呈懸浮狀態(tài)，多數(shù)呈沉淀狀態(tài)。懸浮的活化腐蝕產(chǎn)物會嚴(yán)重影響水體透明度，對水體的總固指標(biāo)及水下安全操作帶來嚴(yán)重影響。沉淀狀態(tài)的活化腐蝕產(chǎn)物會對后期保存水池清洗維護(hù)及放射性廢液處理產(chǎn)生較大的影響。高惠斌給出了大亞灣核電站主回路活化腐蝕產(chǎn)物的檢測與控制方法，該方法主要基于數(shù)學(xué)模型及理論分析。許明霞對一回路冷卻劑中主要活化腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生及對系統(tǒng)劑量增加的影響進(jìn)行了研究，提出了源頭制止、規(guī)范程序、改進(jìn)凈化工藝等解決思路，但是未提出具體的凈化設(shè)備及方案。目前，國內(nèi)在主回路源項控制及保存水池水質(zhì)凈化方面的研究基本停留在國外的試驗(yàn)分析結(jié)論上，少有系統(tǒng)性的研究[1-3]。工程上采用水循環(huán)過濾或者保存水池?fù)Q水的方式降低保存水池懸浮及沉淀活化產(chǎn)物對水質(zhì)的影響。

如何依據(jù)源頭治理原則從源頭上減少活化腐蝕產(chǎn)物進(jìn)入保存水池系統(tǒng)已成為反應(yīng)堆退役及換料過程中保證核安全及二次廢物最少化研究的重要內(nèi)容。

1 總體方案簡介

該方案主要包含活化產(chǎn)物移除和活化產(chǎn)物過濾兩個過程。

前期預(yù)處理過程為：在堆內(nèi)構(gòu)件未從反應(yīng)堆內(nèi)拆除時，工作人員將固化及黏附在堆內(nèi)構(gòu)件的活化腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行松動處理，經(jīng)冷卻劑沖刷及流動，將脫離的活化腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至其他部位，防止其再次回到反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)。

活化產(chǎn)物過濾過程為：在保存水池設(shè)置一套過渡池系統(tǒng)[4-6]，堆內(nèi)構(gòu)件先進(jìn)入過渡池進(jìn)行雜質(zhì)清洗，清洗出的雜質(zhì)經(jīng)過過渡池與保存水池之間的過濾裝置進(jìn)行收集。這種過濾過程可以防止腐蝕產(chǎn)物進(jìn)入保存水池。

2 可實(shí)施性分析

2.1 假設(shè)條件

目前，在反應(yīng)堆正常運(yùn)行或停堆過程中，活化腐蝕產(chǎn)物在反應(yīng)堆內(nèi)分布、黏結(jié)和沉淀的情況少有研究。本文根據(jù)反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性質(zhì)做出的研究假設(shè)如下：（1）不同主泵轉(zhuǎn)速對應(yīng)的活化產(chǎn)物狀態(tài)見表1；（2）活化腐蝕產(chǎn)物在反應(yīng)堆內(nèi)主要是以松散的沉淀物形式存在。主要活化產(chǎn)物大部分沉淀在吊籃上的法蘭、吊籃下的柵板、乏燃料組件上的透水板、乏燃料組件下的透水板以及壓緊結(jié)構(gòu)上下表面等水平表面；次要活化產(chǎn)物主要黏附在吊籃筒體內(nèi)外表面、乏燃料組件棒束外表面、控制棒棒束外表面和壓緊結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面等豎直方向上，少量懸浮于反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)水體中或存在于狹縫中。

表1 不同主泵轉(zhuǎn)速對應(yīng)活化產(chǎn)物狀態(tài)Table 1 Activation product state corresponding to different main pump speed

2.2 事實(shí)條件

打開反應(yīng)堆壓力容器端蓋后，因反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)冷卻劑內(nèi)的含氧量增加，成膜活化腐蝕產(chǎn)物將產(chǎn)生一定程度的剝離，冷卻劑內(nèi)游離狀態(tài)的活化腐蝕產(chǎn)物會相應(yīng)增加。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在保存水池系統(tǒng)中,常規(guī)拆卸操作會產(chǎn)生較多腐蝕產(chǎn)物脫落。活化腐蝕產(chǎn)物（非成膜）黏結(jié)能力不強(qiáng)，具有松散性。

3 活化產(chǎn)物去除實(shí)施過程

基于上述假設(shè)條件，在反應(yīng)堆壓力容器未打開端蓋且堆內(nèi)構(gòu)件未拆卸的情況下，基于反應(yīng)堆壓力容器端蓋開蓋后新剝落腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生及未開蓋前不能完全去除活化腐蝕產(chǎn)物的事實(shí)情況，本方案將堆內(nèi)構(gòu)件活化產(chǎn)物去除工作分3個階段進(jìn)行：

（1）在反應(yīng)堆未開蓋情況下，工作人員借助低、中、高速冷卻劑進(jìn)行初步活化腐蝕產(chǎn)物去除。該方案可較大程度地降低環(huán)境中的氣溶膠濃度，采取該步驟前后氣溶膠濃度對比見表2，單次工作人員平均受照劑量對比見表3。

（2）工作人員在預(yù)設(shè)的過渡池內(nèi)對出堆的堆內(nèi)構(gòu)件再次進(jìn)行活化產(chǎn)物去除工作；

（3）在過渡池與保存水池之間設(shè)置過濾裝置，將活性產(chǎn)物過濾留存在過渡池內(nèi)。

通過3個階段的處理，堆內(nèi)構(gòu)件表面的活化腐蝕產(chǎn)物得到有效的去除，并被阻止進(jìn)入保存水池。

表2 環(huán)境中氣溶膠濃度對比Table 2 Comparison of aerosol concentration in the environment

表3 人員受照劑量對比Table 3 Comparison of radiation dose of personnel單位：mSv

3.1 堆內(nèi)構(gòu)件活化腐蝕產(chǎn)物去除

基于乏燃料組件是否發(fā)生破損及目前松動技術(shù)是否會對乏燃料組件產(chǎn)生不利影響的未知性，本方案在壓力容器內(nèi)部及過渡池內(nèi)均采用模擬主泵低、中、高速運(yùn)行狀態(tài)，借助不同流速的水流松動活化腐蝕產(chǎn)物。該方案采用的松動方式較可靠且貼近反應(yīng)堆內(nèi)構(gòu)件正常運(yùn)行狀態(tài)。該方案在過渡池與保存水池之間增設(shè)機(jī)械過濾裝置，阻止了活化腐蝕產(chǎn)物大量進(jìn)入保存水池。

3.2 系統(tǒng)連接

本方案在反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)出口主閘閥位置各引一路管道（不破壞反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)壓力邊界），引出管道分別連接在管道過濾器的進(jìn)口和出口，主泵采用不同速度運(yùn)行，冷卻劑在一回路及壓力容器內(nèi)流動。冷卻劑將系統(tǒng)內(nèi)的所有可攪動活化產(chǎn)物進(jìn)行攪動，并攜帶活化腐蝕產(chǎn)物在回路內(nèi)進(jìn)行流動。主閘閥出口處的支路引出部分將反應(yīng)堆內(nèi)攜帶活化產(chǎn)物的冷卻劑送至管道過濾器進(jìn)行過濾，過濾后的冷卻劑從反應(yīng)堆進(jìn)口主閘閥重新進(jìn)入反應(yīng)堆循環(huán)系統(tǒng)。未開蓋前沖洗系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 System flow chart

3.3 堆內(nèi)構(gòu)件卸除后表面活化產(chǎn)物去除

該方案在保存水池系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置過渡水池，并在過渡水池內(nèi)設(shè)置堆內(nèi)構(gòu)件活化產(chǎn)物去除裝置。堆內(nèi)構(gòu)件經(jīng)去污預(yù)處理后被卸出，然后被吊運(yùn)至過渡水池活化產(chǎn)物去除裝置中進(jìn)行沖洗去污，主要活化產(chǎn)物被截留在過渡池中，待出水懸浮物指標(biāo)達(dá)到表預(yù)設(shè)數(shù)值后，堆內(nèi)構(gòu)件被轉(zhuǎn)移至堆內(nèi)構(gòu)件保存水池中進(jìn)行其他操作或暫存，工作流程如圖2所示。

增設(shè)過渡水池減少了放射性廢水產(chǎn)生量，數(shù)據(jù)見表4。大量雜質(zhì)被截留在過渡水池后，非過渡水池內(nèi)水表面計量明顯降低，見表5。

表4 放射性廢水產(chǎn)生量對比Table 4 Comparison of production of radioactive waste water

表5 非過渡水池表面計量對比Table 5 Surface measurement comparison of non transition pool

圖2 增設(shè)過渡水池后的工作流程圖Fig.2 Work flow chart after adding transition pool

4 結(jié)論

本文提出了一種減少堆內(nèi)構(gòu)件活化腐蝕產(chǎn)物進(jìn)入保存水池的技術(shù)方案。該研究方案為腐蝕活化產(chǎn)物的處理提供了技術(shù)思路，為后續(xù)的核設(shè)施退役及檢修工作提供了一定的參考。